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[중국/공정] 원자층 증착을 이용한 ....

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글쓴이 김대현 등록일 13-02-18 11:26
조회 1,074
    중국 연구원들은 질화물 반도체 발광 다이오드(LED) 광출력을 43%까지 증가시킬 수 있는 브래그 반사층(DBR)을 만들기 위해 원자층 증착 (ALD) 기술을 개발했다[Hongjun Chen et al, Appl. Phys. Express, vol6, p022101, 2013].

    몇몇 연구 그룹들은 광출력을 높이기 위해 DBR을 개발했지만, 연구팀은 전자빔 증착 이외에 ALD를 이용하여 성장된 DBR을 최초로 제안하고 실현했다.

    ALD 공정을 개발하기 위해, 중국 과학회 마이크로 전자 연구소와 남동 대학의 연구원들은 티타늄 이산화물 (TiO2)과 실리콘 이산화물 (SiO2)에서 티타늄 이산화물과 알루미늄 산화물 (Al2O3)로 DBR 성분을 변화시켰다. 또한, Al2O3는 Al 거울/DBR 결합이 개선되도록 Al 금속의 부착을 더 원활하게 해 준다. TiO2/SiO2 DBR을 이용하여 Al2O3층은 Al 금속과의 접촉을 가능하도록 적용된다.

    LED 구조는 금속 유기 화학 증착법(MOCVD)에 의해 패턴된 사파이어 기판 (PSS) 위에서 성장되었다. PSS는 결정질과 광추출을 개선시키는 두 가지 효과를 가지고 있다. 이 효과들은 액티브 영역 내에서 발생된 광자들의 수와 소자 밖으로 탈출하는 정도를 향상시킨다.

    사파이어 패터닝은 포토리소그래피와 유도 결합된 플라즈마 반응성 이온 식각(ICP-RIE)을 이용하여 제작되었다. 돌출부들의 직경과 간격은 각각 2.1μm과 900nm이다. 패턴 높이는 ~1.3μm이다.

    질화물 이종구조는 30nm GaN 버퍼 (buffer), 4.5μm n-형 GaN 접촉/버퍼, 6 주기 InGaN/GaN 다중 양자 우물 (MQW), 0.9μm p-GaN 접촉으로 이루어졌으며 240nm 인듐 주석 산화물 (ITO) 투명 접촉층으로 마무리되었다. p-와 n-금속 전극들은 크롬/백금/금으로 구성된다. 실리콘 이산화물은 100nm 패시베이션(passivation) 층으로 이용되었다.

    LED 웨이퍼는 DBR과 Al 거울이 적용되기 전에 100μm까지 뒷면이 얇게 되었다. 원자층 증착은 표면 거칠기를 최소화하기 위해 30분 동안 약한 연마 이후에 실시되었다. TiO2/Al2O3 DBR은 420nm에서 500nm 사이에서 반사도가 최대화되도록 디자인되었다.

    ALD는 Al2O3를 증착하기 위해 트리메틸 알루미늄과 물을 사용하고, TiO2를 증착하기 위해 티타늄 테트라클로라이드와 물을 프리커서 (precursor)로 각각 사용했다. 두 물질의 성장 온도는 모두 250였다. 이는 제작 시간을 줄이고 품질 높은 박막을 제조할 수 있게 해준다. 다른 물질의 증착은 개별 프로커서의 혼합을 피하기 위해 질소로 정화시켜 분리했다.

    전자빔 증착으로 150nm 알루미늄이 DBR 위에 증착되었고 TiO2/SiO2 (48.5nm/78.5nm) DBR이 같은 방법으로 제작되었다. 소자는 15nm Al2O3와 150nm Al 금속 증착을 마지막으로 완성되었다.

    LED 칩은 레이저 스크라이빙(scribing)과 싱귤레이션 (singulation)으로 300μm×700μm였다. 여기서, 싱규레이션 파괴 공정은 TiO2/SiO2 DBR로부터 알루미늄의 리프트 오프(lift-off)가 발생하게 하는 원인으로 작용한다. 하지만 새로운 TiO2/Al2O3 DBR의 경우는 이러한 리프트 오프 현상이 일어나지 않는다.

    Al 거울이 없는 DBR이 광의 상당량을 반사하지만, Al 거울이 있는 경우, 파장과 입사각에 관계없이 약 95%의 반사율로 효과적으로 반사되었다.

    여섯 개의 소자 형태들이 패턴된 사파이어 상에 제조되고 평면 사파이어 위에 하나의 소자가 제작되었다. 패턴된 사파이어 상의 소자들은 60mA 전류 주입에서 3.05V 순방향 전압의 비슷한 전기 성능을 가졌다.

    광출력 (LOP)은 Al 거울과 세 쌍의 TiO2/Al2O3 DBR (Al+3DBR)을 가진 LED에서 가장 강하게 나타났다. 60mA 주입 전류에서, Al+3 DBR LED의 경우 65mW로 가장 컸으며, 이에 비하여 LOP는 일반적인 세 쌍의 TiO2/SiO2 DBR 반사기의 경우 58.7mW, 6DBR에서 57.4mW, Al에서 54.6mW, 반사층이 없는 경우 45.4mW, 평면 사파이어 상에서 성장된 소자의 경우 39mW였다. 가장 큰 성능을 가진 소자는 반사층이 없는 LED에 비해 43.1% 광출력 향상을 보였다. 여기서, 피크 파장은 ~460nm였다. 일반적인 반사층 구조에서 나타나는 향상은 EB 증착에 비해 ALD의 균일성과 두께 조절이 더 향상되기 때문이다.

    그림: PSS의 뒷면 상에 성장된 TiO2/Al2O3 DBR와 Al 거울로 이루어진 후면 반사기를 가진 LED의 개략도. 삽입도: 제작된 DBR과 PSS의 SEM 이미지들.
    키워드 : 발광다이오드,반사,브래그반사층
    출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
    원문: http://www.semiconductor-today.com/news_items/2013/FEB/CAS_070213.html
     
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