Technology 시작

Chip 기술

에피성장(epitaxial growth)이란?

에피성장은 어떤 결정의 기판 위에 같은 재료나 다른 재료의 결정을 특정 방향으로 성장시키는 것을 의미하며, LED 의 핵심 공정중의 하나입니다. 기판으로 사용된 웨이퍼 위에 유사한 결정 격자 구조 및 방위를 갖는 반도체 결정을 성장시키는 것으로 기판 물질의 녹는점보다 (훨씬) 낮은 온도에서 성장합니다.

LED 공정은 에피공정, Fab공정과 패키지 공정으로 분류할 수 있습니다. 그림은 LED 에서 사용되는 사파이어(Al2O3) 위에 질화갈륨(GaN)을 에피 성장했을 때의 이미지 입니다. GaN계 화합물반도체는 기판 (substrate) 형성이 어렵고 가격 또한 고가임으로 주로 사파이어(Al2O3) 기판을 사용합니다. 사파이어 기판위에 순차적으로 GaN계 화합물 반도체를 연속적으로 쌓아 성장시키게 되는데 각각의 층은 아래 층의 결정성을 이어받아 성장됩니다.

결정 내부에 생기는 결함은 빛을 발생시키는 전자와 정공의 재결합과정(electron-hole recombination process)에서 비발광 센터(nonradiative center)로 작용하기 때문에 LED 소자에서는 각 층을 형성하는 결정들의 결정성이 소자효율에 결정적인 영향을 미치게 됩니다. 따라서, 에피성장 공정은 LED 효율의 주된 특성을 결정짓는 중요한 공정입니다.

사파이어 C-PLANE
EPI에 의한 LED색상 결정

LED에서 방출하는 빛의 색깔은 발광층 MQW의 원소 배합에 의해 적절한 에너지 밴드갭을 선택하여 이에 해당하는 파장을 만듭니다. 현재 LED에 주로 사용하는 InGaN 칩에서는 near UV, 청색과 녹색을 만들 수 있고, AlGaInP 칩에서는 Amber부터 적색까지의 색상을 낼 수 있습니다. 일반적으로 백색 LED 의 경우 청색칩에 다양한 형광체를 사용하여 만듭니다. 가시광선 스펙트럼은 각각의 색깔에 해당하는 파장을 모두 포함하고 있고, 보라색에 가까울수록 파장이 짧고, 적색에 가까울수록 파장이 깁니다. 파장이 짧을수록 좀더 많은 에너지를 갖습니다.

색상 파장 (nm) 색상 파장 (nm)
Violet 400~430 Amber 590~595
Blue 430~480 Orange 600~615
Green 490~530 Orange-Red 620~640
Yellow 550~580 Red 645~700

에피공정

LED을 만들기 위한 에피공정은 일반적으로 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)를 이용합니다. 주로 메틸이나 에틸 등 알킬기를 갖는 유기 금속 화합물을 원료로 사용합니다. 이를 통해 GaN, P/N-GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlGaInP 등의 2, 3, 4 원계의 여러 화합물 반도체를 성장하게 됩니다.

아래는 GaN 을 형성시키는 반응의 과정을 나타내는 그림입니다.

GaN 을 형성시키는 반응의 과정

LED의 GaN EPI layer 성장 순서

  1. 고온으로 가열하여 사파이어 표면을 cleaning 합니다.
  2. 사파이어와 GaN의 격자불일치를 최소화하기 위해 buffer layer를 성장시킵니다.
  3. GaN 층과 전자 주입을 위한 n-GaN 층을 성장시킵니다.
  4. 발광층인 활성층(Multi Quantum Wells)를 성장시킵니다. (예: InGaN/GaN 을 여러층 형성)
  5. 전자의 이동을 막기 위한 AlGaN을 성장합니다.
  6. 활성층으로 정공을 주입하기 위해 p-GaN을 성장시킵니다.

아래 그림은 GaN 초기 성장시 온도와 가스의 주입의 예를 나타냅니다.

GaN 초기 성장시 온도와 가스의 주입의 예

극성/비극성 결정면

GaN는 Wurtzite 구조를 갖는다. 결정면에 따라 Ga와 N의 배열이 달라지는데 현재 주로 이용되는 LED는 극성(polar)인 c-면의 사파이어를 사용하여 GaN 에피를 성장 한다. c-축을 따라 성장한 결정의 비대칭성은 MQW에서 위로는 Ga원자, 아래쪽은 N원자로 된 Ga face의 경우 자발분극(spontaneous polarization) 현상이 생기고, 격자 상수의 차이에 의한 스트레인(strain) 발생으로 압전분극(piezoelectric polarization)도 함께 생기게 됩니다.

두 개의 분극으로 MQW의 양자우물(Quantum welll) 에너지 밴드 구조가 휘게 되고, 전자와 정공의 결합을 어렵게 합니다. 그 결과, 내부양자 효율이 감소하고, 파장의 적색 편이(red shift) 현상 및 높은 문턱 전압 현상이 나타나 LED로서는 바람직하지 않은 현상을 보이게 됩니다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방편으로 비극성(nonpolar) LED의 기술이 있습니다. 이것을 사용하면 두 가지 분극 현상에 대한 해결이 가능하게 되고, 높은 전류밀도에서의 효율 저하 특성이 줄어들게 됩니다. 특히 조명시장에서 요구되는 고전력 LED 소자, 장파장 LED 응용에 비극성 LED의 사용이 기대됩니다. 서울바이오시스는 이 분야에서 많은 기술력을 확보하고 있습니다.

GaN 을 형성시키는 반응의 과정
※ Wurtzite 구조 : 황화아연 ZnS의 고온형인 우르짜이트광에 의해 대표되는 AB형 화합물의 결정 구조형의 하나. AB 각각의 주위에는 사면체형 사배위로 형성된 육방 격자이다. 이 때 A3과 B3이 형성하는 정삼각형의 중첩이 60°엇갈려 있는 섬아연광형 구조에 대해, 이 구조에서는 중첩되어 있는 것이 특징이다. ZnO, CdS 등이 이 구조를 취한다.(출처: 네이버 지식사전)
Application
경화
탈취
살균
포충
UV Products
포충기
공기청정기
살균기
UV LED
PKG
Lamp
Modules
Technology
LED
Chip
UV LED
violeds
Acrich
V LED
WICOP
Patent Portfolio
Support
Document Library
Strategic Alliances
Where to buy
Company
회사소개
연락처
인증서
Our way
Press
Careers
인재상
복리후생
채용정보
Top