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  • GaN-온-실리콘 발광다이오드를 위한 버퍼 층 두께 줄이기등록일 : 2015/12/04
  • 영국 플레세이 세미컨턱터스는 인듐 갈륨 질화물 (InGaN)-온-실리콘 발광 다이오드 (LED) 기술을 향상시키고 있다. 350mA에서 563mW의 광출력을 얻었다. 이때 월-플러그 효율은 52.7%였다.

    연구원들은 이 결과들이 지금까지 얇은 버퍼 층 기술을 이용한 1세대 조명용 고위도 GaN-온-Si LED이며 이 기술은 제조능력 결과들이 현재 사파이어 기술의 잠재적인 대체 기술로 현실성을 증명하면서 더 빠른 공정 생산성과 줄어든 제조 비용을 가능케 할 것이라고 소개하고 있다..

    또한 GaN-온-Si 기술의 이용은 양극성 트랜지스터, 제너 다이오드와 실리콘 광검출기의 연결을 허락할 것이다.

    연구팀은 일반적으로 GaN-온-Si 에피층들이 6μm와 8μm 사이인 에피텍셜 층 두께를 3.75μm까지 줄였다.

    비록 실리콘 기판 상의 생산이 더 큰 직경 웨이퍼 (다이 수준에서 40~60% 절감이 예측된)에서 감소되는 재료와 처리 비용들을 약속하지만 크랙없는 에피층을 제조하는 것은 도전이다. 격자 상수 불일치가 -17%이다. 또한 GaN과 실리콘은 냉각에서 인장 스트레스를 주도록 +115%로 다른 열 팽창률을 가지고 있다. 반대로, 사파이어 상에 성장된 GaN 버퍼는 크랙을 피하는 경향의 장점을 가지는 냉각 시 에피층의 압축으로 더 작은 -34% 불일치를 가진다.

    연구원들은 소자 프로세싱이 저가 CMOS 제조라인에서 이용되는 웨이퍼 팹에서 수행되며 이 시설은 공정 생산성을 매우 개선하는 카세트-투-카세트 웨이퍼 핸들링과 반자동 스텝퍼 리소그래피와 같은 시스템들의 이용을 허락한다고 보고했다.

    리소그래피 스텝퍼 장비와 같은 자동화된 프로세싱 장비의 모든 이용은 웨이퍼 휨이 조절되도록 요구된다.

    LED 에피텍셜 재료는 ~1000°C 금속-유기 화학 증착법(MOCVD)을 이용하여 150mm 실리콘 (111) 웨이퍼 상에 성장되었다. 기판은 1mm 두께였다.

    알루미늄 질화물 (AlN) 핵생성과 점진적인 알루미늄 갈륨 질화물 (AlGaN) 버퍼 층들은 각각 200nm와 600nm였다. 조절되지 않게 도핑된 갈륨 질화물 (i-GaN) 버퍼는 높게 결함 있는 AlGaN에서 결정성 회복을 위해 느린 성장 800nm 층과 얇은 i-GaN 층의 이후 과성장을 위한 실리콘 질화물 중간층으로 구성된다. 이후 1.8μm 높게 실리콘 도핑된 n-GaN이 성장된다.

    LED 액티브 층은 20쌍의 InGaN/GaN의 짧은 주기 초격자 (SPSL)와 4쌍의 InGaN/GaN 다중 양자 우물 (MQW)로 구성된다. p-형 층에는 전자 차단 층(EBL)을 포함한다. EBL 성장 중 질소 분위기를 이용하는 것이 마그네슘 도펀트의 삽입을 개선했다.

    원자힘 현미경(AFM) 분석은 최적화된 구조들 상에서 5x108/cm2의 전위 밀도를 보였다. ~100nm 직경의 V-핏들은 3.3x108/cm2을 가지는 초격자 위의 전위들 상에 형성되었다. SPSL과 MQW 내 GaN 층의 성장 도중 부분적인 수소 분위기를 만드는 것은 V-핏 밀도와 직경을 줄인다는 것이 발견되었다. 웨이퍼 휨은 10 μm 이하로 줄었다.

    p-전극은 얇은 니켈 접촉과 은 기반 미러로 구성된다. 타이타늄/알루미늄 n-접촉은 n-GaN 층의 Ga 면에 만들어졌다. 연구원들은 전류 확산을 개선하기 위해, 부가적인 더 두꺼운 Ti/Al 전극은 n-전극 위에 직접 형성되고 작은 바이어스 연속을 통해 함께 연결된다.

    이후 웨이퍼는 화학 기계 연마(CMP)와 습식각을 이용하여 성장 기판이 제거될 수 있게 실리콘 핸들 웨이퍼로 결합된다. AlN과 AlGaN 층들은 플라즈마 식각으로 제거된다. 칼륨 수산화물이 광추출을 개선하도록 노출된 n-GaN 표면을 거칠게 하는데 이용되었다.

    마지막으로 LED 웨이퍼는 박막 1mmx1mm 칩들로 절삭되고 3.5mmx3.5mm 플라스틱 패키지(3535) 내에 마운트된다.

    베어 다이의 광출력(LOP)은 350mA 주입과 3.05V 순방향 포텐셜에서 480mW였다. 주된 파장은 452nm였다. 실리콘 돔형 렌즈를 가지고 캠슐화는 LOP를 35A/cm2에서 52.7%의 월-플러그 효율을 보이도록 563mW로 증가할 수 있게 해 주었다. 10A/cm2로 주입 전류 밀도 감소는 64%로 효율을 증가시킨다.

    연구원들은 최신 기술 비교로 비슷한 구조를 가진 사파이어 상에 제작된 오슬람 소자들은 600~630mW LOP를 가진다고 전했다.90°C/20°C에서 성능비인 핫-콜드 팩터는 0.94였다. 이는 연구원들에 따르면 사파이어 상의 티어-1 소자와 비견될 수 있다고 전했다.

    300 웨이퍼에서 소자들에 걸친 전계 발광 파장 표준 편차는 455nm의 평균 파장을 가지고 2nm였다. 연구원들은 확률적으로 이는 각각 5nm와 8nm 내 다이들의 80%와 95%로 추산되며 이는 LED 다이 버림과 구분이 주된 가격과 생산성 간접비이므로 매우 놀라우며 이 기술이 버림 감소와 개선된 제조 생산성을 위한 방법을 열고 있다고 설명했다.

    개선된 소자 신뢰성은 0.1μA 이하의 5V 역바이어스 누설을 가지는 95% 소자들을 나타내고 있다.

    그림 1: (a) LED 에피 구조의 개략도, (b) 주사 전자 현미경 (SEM) 측면과 (c) 소자 레이아웃.

    그림 2: 주입 전류에 따른 베어 다이와 돔 렌즈 패키지된 다이의 광출력과 월-플러그 효율.
  • 키워드 : 버퍼층, 갈륨 질화물, 발광 다이오드, 실리콘
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑