(092190) 서울바이오시스 - (6) Technology < Chip >

(092190) 서울바이오시스 - (6) Technology

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.

색상파장 (nm)색상파장 (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.

 

Fab 공정이란?

LED 칩의 제작 공정은 크게 나누어 Epi공정과 Fab공정으로 분류할 수 있습니다.

Fab공정은 성장된 에피층 위에 LED의 사용목적에 맞게 칩의 크기와 모양을 만들고, +, - 전극 등을 형성하는 반도체 공정입니다. Fab 공정기술의 핵심은 MQW에서 생성된 빛을 최대한 많이 칩 밖으로 추출하는 것입니다. 저희 회사는 오믹(ohmic) 전극 기술, 칩 shaping, 투명전극기술, 포토리소그래피 기술, 에칭기술, 금속 전극 형성기술, 연마기술, 칩 절단 및 분리 기술 등의 하이테크 기술을 보유하고 있습니다. Fab공정이 완료되면 테스트를 통하여 불량품과 양품 선별 및 특성 등급을 결정하고 패키지를 위한 공정단계로 넘어갑니다.

LED칩의 성능은 주입된 전기 에너지 대비 방출되는 광에너지의 비로 평가되며 이러한 광자비를 높이기 위해 재료에 대한 연구, 전극의 형태, 광학적인 디자인과 칩 디자인에 대한 연구 개발이 진행되고 있습니다.

 

Vertical Chip

응용분야

• 일반조명
• 가로등
• 공장등
• 핸드폰
• 자동차 조명
• 손전등

특징

• 다양한 조명 제품 적용과 설계가능
• SMT 가능
• RoHS 인증

 

Lateral Chip

응용분야

• LED Lighting : 일반 & 데코레이션 & 실내/외 건축 조명
• LED Backlight : 휴대폰, 디지털카메라, PDA 등 중소형 LCD BLU Monitor, 노트북, TV

특징

• 다양한 TV, Monitor 제품에 적용과 설계 가능
• 고광도, 장수명
• RoHS 인증