한국광전자학회지 Journal of Photonic Science and Technology 2011. December Vol.1, No.1, pp.1~9 비극성/반극성 GaN LED 기술 동향 장종진 유근호 남옥현* LED technology center, 한국산업기술대학교 나노광공학과 Current Status of Non-/Semi-Polar GaN Based Light Emitting Diodes Jongjin Jang, Geunho Yoo and Okhyun Nam* LED Technology Center, Department of Nano-Optical Engineering Korea Polytechnic University, Siheung 429-793, Korea Abstract Recently, III-nitrides have attracted much attention for the optoelectronic devices whose emission wavelengths range from green to ultraviolet light due to their wide band gap. However, conventional c-plane GaN-based devices are significantly influenced by the spontaneous and the piezoelectric polarization effects, which could be the limit of increasing the device luminous efficiency due to the quantum confined stark effect (QCSE). Since the early 2000 s, many groups have been tried to solve these problems by the growth of GaN on semi- or non-polar surface planes. However, the non- and semi-polar optoelectronic devices grown on the sapphire substrates usually contain the high density of the basal plane stacking faults (BSFs) and the threading dislocations (TDs). For these reason, many researchers have tried to grow the non- and semi-polar GaN based LEDs on a sapphire substrate by introducing the defect reduction techniques such as epitaxial lateral overgrowth (ELO), patterned sapphire substrate (PSS) and re-growth technique on a porous GaN layer, etc. Also, a few researchers have grown the high quality non- and semi-polar GaN based LEDs using the nonand semi-polar free-standing GaN substrate. In this paper, we introduced and discussed the current status of non- and semi-polar GaN based LEDs on sapphire and free-standing GaN substrates. Key words : non-polar, semi-polar, LED, visible, MOCVD 1. 서 론 Ⅲ-Ⅴ계 질화물 반도체는 0.7eV(InN)에서 6.2eV(AlN)에 이르는 넓은 밴드구조를 가지며 자외선에서 적외선 영역까지 폭넓은 발광대역의 조절이 가능할 뿐만 아니라 고온 및 고출 력 하에서 안정된 동작이 가능하여 현재 LED(Light Emmiting Diode), LD(Laser Diode), Photodetector, FET(Field Effect Transistor) 등의 전자소자로 각광받고 있다. 이 중에서 LED 는 현재 그린에너지 시대에 차세대 조명으로 각광받고 있다. 그러나, Ⅲ-Ⅴ계 질화물 반도체 LED는 다양한 기술적인 문 제를 안고 있다. 그림 1에 LED를 제작하는 데 있어서 파장 *E-mail; ohnam@kpu.ac.kr 2011년 11월 29일 접수, 2011년 12월 8일 채택 별 기술 난이도를 나타내었다. 400 nm를 중심으로 200 nm 대역과 600 nm대역으로 이동하면서 LED 기술 난이도가 증 가하는 것을 확인 할 수 있다. 그림 2에 가시광선 영역에서의 기술적인 문제점에 의한 외부양자효율(External Quantum Efficiency)을 나타내었다. 그림에서 파장이 길어질수록 외부 양자효율이 급격하게 떨어지는 것을 알 수 있다. 장파장의 LED를 제조하기 위해 인듐(Indium) 양을 증가시킬수록 분극 현상(Polarization effect)이 심화되어 녹색 영역(Green gap 영역)인 500 nm 이상에서 양자효율이 10% 미만으로 떨어지 게 된다. 그러나 최근 들어 UCSB(University of California, Santa Barbara)에서 비/반극성GaN 기판을 사용하여 극성 LED 에 비하여 많이 향상된 비/반극성 LED의 결과를 꾸준히 발 표하고 있다. 그림 3은 자외선 영역에서의 연구 그룹별 양자 효율을 나타내었다. 자외선 영역은 현재 전 세계적으로 큰 이 1
장종진 유근호 남옥현 그림 1. InGaAlN 계 LED의 파장대별 기술 난이도. 그림 2. 가시광선 영역에서의 양자효율. 그림 3. 자외선 영역에서의 양자효율. 슈가 되고 있는 분야 중에 하나로써 많은 연구가 진행되고 있지만 양자효율은 아직 대부분의 연구 결과가 10% 미만으 로 가시광선 영역에 비하면 미미한 수준이다. 자외선 영역도 가시광선과 같은 맥락에서 단파장으로 갈수록 알루미늄(Al) 의 양이 많이 필요하지만 이럴 경우 GaN 박막에 심한 응력 (stress)이 생겨 박막에 변형(strain)이 심화되어 결국 crack이 생긴다. 이러한 문제를 비/반극성 GaN 박막을 사용함으로써 해결할 수 있다고 제기되면서 최근 들어 많은 연구그룹에서 비/반극성 UV-LED에 대한 연구를 진행하고 있다. 그림 4에 극성과 비극성 GaN의 결정 면과 밴드 다이어그램을 도식화 하였다. GaN 반도체는 통상적으로 wurzite 구조로 되어 있고 통상적으로 c-면 사파이어 기판 위에 성장하게 된다. 그러나 이 경우 Ga원자와 N원자가 따로 존재하게 되어 박막이 극성 을 띄게 되는데 이로 인하여 그림 4의 왼쪽 그림과 같이 밴 드가 휘는 Quantum Confined Stark Effect(QCSE)가 발생하 게 된다. 그러나 비/반극성의 경우는 박막에 두 원자가 같이 존재하게 되어 원천적으로 극성이 없으며, 내부 전계 효과가 발생하지 않는다 따라서 그림 4의 오른쪽 그림처럼 밴드가 일정한 모양을 같게 되므로 efficiency droop이 나타나지 않 는 장점이 있어 현재 비/반극성 GaN 박막을 이용한 LED 개 그림 4. 극성/비극성 GaN 결정면과 밴드 다이어그램. 발이 활발히 이루어지고 있다. [1,2] 2. 비/반극성 GaN LED 기술동향 그림 5는 비/반극성 GaN 기반의 LED에 대한 연구 그룹 동향 (a)과 파장 변화에 따른 비/반극성 GaN LED의 출력 분 포도 (b)를 나타내었다. 현재 비/반극성 GaN LED는 세계적 으로 다양한 그룹에서 활발히 연구를 진행 중이며 그 중에서 UCSB에서 반극성 GaN 기판을 사용하여 기존의 극성 LED 와 동등한 수준의 31.1 mw의 출력을 내는 반극성 LED를 개 발 발표하였다. [3] 또한, 국내의 LG전자기술원이 전자부품연구 원과의 공동연구를 통하여 사파이어 기판을 사용하여 세계 최 고 출력인 7.5 mw의 비극성 a-면 GaN LED를 개발하였다. [4] 2.1 비극성 Visible GaN LED 기술 그림 6에서 그림 8은 비극성 GaN LED의 연구를 활발히 진행 중인 대표적인 그룹들의 연구개발결과를 간략히 그림으 로 나타내었다. 그림 6(a)는 일본의 Toyoda Gosei에서 2009 2
비극성/반극성 GaN LED 기술 동향 년에 발표된 논문을 인용하였다. Toyoda에서는 일반적인 건 식 식각 공정을 통하여 SiO 2 mask가 없는 3 μm 1.5 μm의 줄 무늬 패턴의 a-면 사파이어를 제작하고 상압 MOCVD를 이 용하여 고품질의 m-면 GaN 박막을 성장하였다. 성장된 m- 면 GaN 박막 위에 LED 구조를 성장하고 소자로 제작하여 20 ma의 전류에서 3 mw의 광 출력을 갖는 461 nm의 고효 율 비극성 m-면 LED를 개발하였다. [5,6] 그림 6(b)는 미국의 UCSB에서 2007년에 발표된 논문을 참고하였다. UCSB에서 는 m-면 GaN 기판에 6주기의 다중 양자 우물 구조를 성장하 여 20 ma 전류에서 23.7 mw의 고출력 비극성 m-면 LED 소자를 개발하였다. [7] 이는 일반적인 극성 c-면 LED와 비등 한 광 출력을 갖는 결과로서 비극성 LED에 가능성을 확인할 수 있었다. 그러나 m-면 GaN 기판이 현재까지는 너무 작고 가격이 비싸기 때문에 상업적인 생산에 적용되기까지는 시간 이 더 필요할 것으로 여겨진다. 그림 7은 비극성 LED의 국내 기술 동향을 나타내었다. 그 림 7(a)는 전자부품연구원이 r-면 사파이어 위에 육방정의 모 양으로 된 SiO 2 mask를 올린 후, a-면 GaN 박막을 성장하였 다. 그림에서의 CL image를 통하여 육방정 패턴 위로 재성 장 된 영역에서 발광 효율 높은 것을 알 수 있었다. 그 후에 그림 5. 비극성/반극성 GaN LED (a) 연구 그룹 동향, (b) 파장 별 광 출력 분포도. 그림 6. 비극성 GaN LED 세계 기술 동향 (a) Toyoda Gosei, (b) UCSB. 3
장종진 유근호 남옥현 LED 소자를 만들어 세계 최초 사파이어 기반의 비극성 a-면 GaN LED를 개발하였다. [8] 그림 7(b)는 LG전자기술원이 올 해 반도체조명학회 학술대회에서 발표한 결과를 발췌하였다. LG전자기술원은 전자부품연구원과 함께 그림 7(a)에서 나온 PLOG 기술에 더불어 Micro mask라는 기술을 접목하여 사 파이어 기반에서 가장 높은 20 ma에서 7.5 mw 출력의 비 극성 a-면 LED를 개발하는데 성공하였다. 이 결과로 비/반극 성 GaN LED가 앞으로 수 년 내에 통상적으로 상용화 되고 있는 극성 LED와 비교하여 동등한 수준으로 발전할 수 있는 가능성을 보여주는 좋은 결과로 보여진다. [4] 그림 7. 비극성 GaN LED 국내 기술 동향 (a) KETI, (b) LG전자기술원. 그림 8. 비극성 GaN LED : KPU-LED center 기술 동향. 4
비극성/반극성 GaN LED 기술 동향 본 한국산업기술대학교 LED center에서는 다양한 결함 감 소기술을 사용하여 비극성 a-면 GaN 박막의 특성을 향상시 키는 연구를 진행하고 있다. 그 중에서 몇 가지 결과를 그림 8에 나타내었다. 기존 c-면에서 연구되었던 다양한 결함 감소 기술을 적용하여 비극성 박막에서의 가능성을 연구하고 새로 운 결함 감소 기술을 제안하여 기존 극성 LED를 대체하는 연구에 노력하고 있다. 그림 8(a)는 r-면 사파이어에 반구형 패턴을 만든 후에 비극성 a-면 박막을 성장하고 그 위에 LED 구조를 성장하여 planar a-면 LED에 비하여 2배 이상 향상된 출력을 갖는 결과를 얻을 수 있었다. [9] 그림 8(b)는 성장된 a-면 GaN 박막을 PEC(Photo-Enhanced electro Chemical) etching을 이용하여 다공성 식각을 한 후 재성장을 통하여 결 함 밀도 감소 및 표면 개질을 하였다. 그림 8(c)는 SiO 2 mask 를 올리고 재성장하는 ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth) 기술 을 도입하여 표면이 깨끗하고 결함이 적은 비극성 a-면 박막 성장을 얻을 수 있었다. 비극성 GaN LED 기술 동향을 요약하면, 현재까지 GaN 기판을 사용한 경우에는 극성 c-면 LED와 동등한 수준의 연 구결과가 발표되고 있지만 아직까지 기판의 상용화에 대한 연구가 많이 필요할 것으로 판단되며, 사파이어 기판을 사용 한 경우는 LG전자기술원에서 최근 7.5mW@20mA 의 좋은 결과를 발표하여 향후 상용화의 가능성을 확인 할 수 있었다. 2.2 반극성 Visible GaN LED 기술 이번 장에서는 wurzite 구조의 GaN에서 기존의 극성 c-면 과 m-면과 a-면으로 표현되는 비극성 사이로 불리는 반극성 LED의 연구개발동향에 대하여 알아보았다. 그림 9(a)는 2006년 일본의 Nichia에서 (11-22) 반극성 GaN 기판을 사용하여 3가지 파장에(Blue, Green, Amber) 대한 연구를 진행하였다. 3가지 파장 모두 주입 전류가 증가 하면 광 출력이 증가하는 모습을 보였다. 그러나 Blue에서 Amber로 파장이 길어질수록 주입 전류 증가에 따른 외부양 자효율(EQE, External Quantum Efficiency)이 극성 c-면 LED 와 비슷한 경향을 나타내었다. 이는 반극성의 경우는 비극성 과는 다르게 내부 전기장이 생기기 때문에 나타나는 결과로 볼 수 있다. 그렇지만 기존의 극성에 비해 내부 전기장의 영 향이 작고 본 연구가 진행될 당시에는 반극성의 연구가 활발 하지 않았던 점으로 보아 향후 극성 c-면 LED에서 활발히 연구되고 있는 효율 감소 현상에 대한 기술을 접목한다면 충 분히 가능성 있는 결과라고 생각된다. [10] 그림 9(b)는 2010년 UCSB에서 (10-1-1) 반극성 GaN 기 그림 9. 반극성 GaN LED 세계 기술 동향 (a) Nichia, (b) UCSB. 5
장종진 유근호 남옥현 판을 이용하여 458nm 파장의 고출력 LED를 개발하였다. 현 재 UCSB에서는 Mitsubishi Chemical로부터 다양한 반극성 GaN 기판을 공급받아 활발히 연구를 진행 중이다. 이번 연 구는 (10-1-1) 반극성 GaN 기판 위에 최적화 된 LED 구조 를 성장하고 490 292 μm 2 의 크기로 소자를 제조하였다. 소자 제작 후, 기판 뒷면에 수 μm의 크기의 사다리꼴 모양의 패턴 을 제작하였다. 사다리꼴 모양의 패턴이 클수록 광 출력이 향 상되는 것을 확인할 수 있었고 가장 최적화 시켰을 경우, 31.1 mw@20 ma의 광 출력을 얻었다. 이 결과는 극성 LED 와 비교하여 동등하거나 그 이상의 고출력으로써 반극성 LED가 극성 LED를 대체할 수 있다는 충분한 가능성을 보여 준 결과라 사료된다. [11] 그림 10은 본 한국산업기술대학교 LED center에서 m-면 사파이어를 사용하여 (11-22) 반극성 GaN 박막 성장 연구를 진행한 결과를 나타내었다. 반극성 GaN 박막도 비극성 박막 과 마찬가지로 일반적으로 결함이 높기 때문에 결함 감소에 중심을 두고 연구를 수행하였다. PSS 기판을 제작하여 LED 구조를 성장하여 비교한 결과, 그림 10(b)와 같이 광 출력이 그림 10. 반극성 GaN LED: KPU-LED center 기술 동향. 그림 11. 비극성/반극성 GaN 자외선 LED 기술 동향. 6
비극성/반극성 GaN LED 기술 동향 그림 12. 비극성/반극성 GaN LED의 다양한 응용 분야. 그림 13. 비극성/반극성 LED의 향후 연구 이슈. 5배정도 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 그림 10(b)의 그림 에 파장이 다른 이유는 상대적으로 planar LED의 경우에 결 함이 많기 때문에 다중 양자 우물 구조의 V-pit이 많이 존재 하고 이로 인해 인듐 뭉침 현상(localization)에 영향을 많이 받은 것으로 사료된다. 그 밖에도 많은 결함 감소 기술을 도 입하여(그림 10(c, d) 참조) 활발히 연구를 진행하고 있다. [12,13] 지금까지 반극성 GaN LED를 연구개발동향에 대하여 살 펴보았다. 비극성과 함께 세계의 많은 연구 그룹에서 관심을 갖고 연구를 진행하고 있다. GaN 기판을 사용하였을 경우, 비극성보다 높은 광출력을 보이며 상당히 큰 가능성을 보이 7
장종진 유근호 남옥현 고 있지만 비극성과 마찬가지로 GaN 기판이 너무 작고 비싸 다는 단점이 있어 향후 반극성 GaN 기판에 대한 연구가 활 발히 진행될 것으로 기대된다. 또한, 사파이어 기판을 사용한 경우에는 몇몇 그룹이 연구를 진행 중에 있지만 현재까지는 극성 LED나 비극성 LED의 결과와 비교할 때 더 많은 연구 개발이 필요할 것으로 사료된다. 2.3 비/반극성 GaN UV-LED 기술 그림 11은 비/반극성 GaN 기반으로 UV-LED를 연구하고 있는 대표적인 그룹인 USC(University of South Carolina)에 서 나온 결과를 간략히 나타내었다. 그림 11(a)에서USC는 2003년 r-면 사파이어 기판을 사용하여 363 nm의 UV-LED 를 개발하였다. 출력은 미비하였으나 비극성의 장점인 내부 전기장에 의한 고 전류에서의 효율 감소 현상이 발견되지 않 는다는 결과를 얻을 수 있었다. [14] 또한, USC는 2010년에 그 림 11(b)와 같이 m-면 사파이어에 15주기의 SPSL(Short Period Super Lattice) 구조를 사용하여 결정성을 향상시킨 307 nm UV-LED를 개발하였다. [15] UV-LED는 아직까지 극성 GaN 박막에서도 연구 단계이 고 비/반극성의 경우에는 세계에서 소수의 그룹에서 초기 연 구 단계를 진행하고 있다. 그러나 자외선 LED의 향후 응용 분야가 급속히 확대되고 시장규모도 증가할 것으로 예상되 어, 극성 LED에서의 문제점 중 하나인 p-형 도핑을 해결 할 수 있는 대안으로 비/반극성 UV-LED 기술이 높은 가능성이 있을 것으로 기대된다. 3. 결 론 단순 표시 소자로 시작한 LED가 눈부신 발전을 거듭하여 차세대 조명 광원으로 각광받기 시작한지도 벌써 수 년이 흘 렀다. 그 동안에도 수없이 많은 발전을 거듭하였지만 조명시 장에 진입하기 위한 가장 중요한 이슈 중의 하나인 고 전류 에서의 효율 감소 현상을 극성 LED에서 극복하는데 한계가 있기 때문에 많은 연구자들이 그것을 극복하기 위하여 비/반 극성 LED에 관심을 갖고 연구가 진행되고 있다. 향후 비/반극성 GaN LED의 응용 분야를 정리하면 그림 12와 같다. 첫째, HVPE를 이용한 두꺼운 GaN 후막이나 GaN 기판을 개발하여 GaN 박막의 결함 밀도를 기존의 극성 GaN 박막 수준 이상으로(> ~10 8 cm -2 ) 개발할 수 있다. 둘째, 이론적 실험적으로 고 전류에서의 효율 감소 현상을 원천 차 단 할 수 있으므로 고출력(High power) LED 소자를 개발할 수 있다. 셋째, 비/반극성 GaN 박막은 마그네슘(Mg)의 활성 화 에너지가 낮기 때문에 높은 p-type 도핑이 가능하여 AlGaN 기반의 UV-LED 개발할 수 있다. [16] 마지막으로 반극 성 GaN 박막은 인듐 결합(In incorporation)이 극성에 비하여 상대적으로 용이하여 인듐 함량이 많아지는 장파장 대역의 LED와 LD의 개발이 가능하다. [17] 앞에서 언급한대로 비/반극성 LED가 다양한 발전 가능성 이 있지만 현재 해결해야 할 이슈가 많이 있다. 그 중 가장 큰 문제는 LED 소자로 사용하기에 너무 결함 밀도가 높다는 데에 있다. 그림 13은 이를 해결하기 위한 여러 방법 중에서 크게 두 가지를 언급하고 있다. 첫째는 현재 10 10 mm 정도 의 작은 사이즈인 GaN 기판을 2인치 이상의 성장 기술을 개 발하여 기판의 단가를 낮추는 것이며, [18] 이를 위해, 본 KPU- LED center에서도 저결함 비/반극성 GaN 기판을 개발하기 위해서 HVPE 장비를 도입하여 연구를 시작 중에 있다. 둘째 는 사파이어 기판 위에 MOCVD를 이용한 결함감소기술을 사용하여 결함을 어느 정도 감소시킨 후 성장 속도를 빠르게 할 수 있는 HVPE를 이용하여 두꺼운 후막을 성장하여 사파 이어 기반의 저 결함 박막을 성장하는 것이다. [19,20,12,21,22] 이 러한 방법들을 사용하여 비/반극성 GaN 박막의 고품질 성장 기술이 개발될 경우, 극성 LED의 단점을 극복한 비/반극성 GaN LED를 이용한 초고출력 조명용 광원으로 사용할 수 있 을 것으로 기대된다. Acknowledgement This work was supported by IT R&D Program Project No. 2009-F-022-01 and World Premier Materials Project No. 10037886 and Industrial Strategic Technology Development project No. 10039216of the Ministry of Knowledge Economy. References [1] Ph. D. 윤의준, LED 에피성장기술, 한국물리학회 (2008). [2] Ph. D. 김종규, UV-LED의 전망 및 연구 동향 워크샵 (2010). [3] Y. Zhao, Junichi Sonoda, Chih-Chien Pan, Stuart Brinkley, Ingrid Koslow, Kenji Fujito, Hiroaki Ohta and Steven P. DenBaars and Shuji Nakamura, Appl. Phys. Exp. 3, 102101 (2010). [4] 정석구, 장영학, 방규현, 김형구, 최윤호, 황성민, 제4회 LED반도 체조명학회 (2011). [5] Koji Okuno, Yoshiki Saito, Shinya Boyama, Naoyuki Nakada, Shugo Nitta, Ryoichi George Tohmon, Yasuhisa Ushida and Naoki Shibata, Appl. Phys. Exp. 2, 031002 (2009). [6] Yoshiki Saito, Shinya Boyama, Naoyuki Nakada, Shugo Nitta, Yasuhisa Ushida and Naoki Shibata, Appl. Phys. Exp. 2, 041001 (2009). [7] Mathew C. Schmidt, Kwang-Choong Kim, Hitoshi Sato, Natalie Fellows, Hisashi Masui, Shuji Nakamura, Steven P. Denbaars and James S. Speck, Jpn. J. Appl. Phys, 46, L126-L128 (2007). [8] D. 황성민, LED 워크샵 (2010). [9] Geunho Yoo, Hyunsung Park, Hyoungjin Lim, Seunga Lee, Okhyun Nam, Youngboo Moon, Chaerok Lim, Bohyun Kong and 8
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