지난 시간에 LED 제품을 이루고 있는 3가지 중 Epi( 에피) 성장에 대해 설명드렸습니다. 오늘은 사파이어 기판 위의 GaN과 InGaN MQW(Multi- Quantum Well) 계열의 레이어를 성장시켜 효율적인 Blue LED Epi 구조에 대해 좀 더 자세히 설명하면서 각각 Layer 별 역할에 대해 이야기하겠습니다. 그리고 그다음 쳅터에서 LED칩의 역할과 구조에 대하여 설명하도록 하겠습니다.
1. LED 에피 Layer별 구조의 이해
‘사파이어'(Sapphire) 위 Layer를 성장할 때 각 Layer별로 LED효율을 증가시키기 위한 역할들이 존재합니다. 여기서는 각각의 Layer별 역할에 대해 설명하겠습니다.
a) Blue Color LED Epi-구조
성장 Layer별 역할의 설명은 다음과 같습니다.
| 성장 Layer | 성장 Layer별 역할 |
| ‘p-GaN’ (n-type 반도체) | ‘정공'(Hole)이 효율적으로 주입 될 수 있도록, 도핑을 시키는 에피 레이어 ( Mg 도핑)임. |
| ‘EBL'(Electron-Blocking Layer) → 전자 차단층 | 전자가 p-type 쪽으로 넘어가지 못하도록 막아주는 역할을 함. |
| InGaN ㅡMQW(Multi- Quantum Well) 양자우물 층 | 전자와 정공을 좁은 양자 우물에 Confinement 시키는 구조를 만들고, 전자와 정공이 재결합하여 빛을 방출하는 에피 레이어 |
| n-GaN Epi-layer (n-type 반도체) | 전자가 효율적으로 주입 될 수 있도록 도핑을 시키는 ‘에피 레이어'( Si 도핑) |
| undoped GaN Epi-Layer | Buffer 레이어를 ‘사파이어’ 위에 성장시킴으로써 Defect, Dislocation 등의 결함이 감소함. ( 2D 측면형 성장으로 인한 Defect 감소) |
| GaN Buffer layer | ‘사파이어’와 ‘GaN’ 물질간의 격자상수 차이로 인한 응력을 완화 시킴 |
| ‘사파이어'( Sapphire) | ‘사파이어’ 기판으로 위에 ‘layer’를 성장시킴 |
각 레이어별로 LED효율 향상시키기 위한 역할들이 존재하며 각 업체별 장비 사양에 따라 성장 온도, Flow 속도, 시간등이 다릅니다.
b) ‘Active 레이어’는 ‘Multi-Quantum Well’
일반적으로 광이 방출되는 ‘Active 레이어’는 ‘Single Quantum Well’이 아닌 4개 ~7개의 ‘Multi- Quantum Well’을 사용합니다. 층수가 높을수록 높은 난이도로 인한 Layer Quality 향상이 어려울 수 있지만, 기술적으로 극복하고 광효율을 향상하기 위하여 Active 레이어는 ‘Multi-Quantum Well’ 구조를 유지합니다.
2. ‘LED 칩 공정’의 흐름
‘Epi’ 성장을 한 후 ‘MOCVD’ 챔버에서 꺼내어 FEB으로 ‘Epi’를 옮겨 ‘투명 전극'( TM: Transparent Metal)과 p-type해당되는 곳에 P-Metal 전극을 올리고 n-type layer까지 식각 한 후에 N-Metal 전극을 올려주어 칩공정을 마무리하게 됩니다.
a) LED chip 프로세스
Epi Growth on Sapphire → 투명 전극을 올림 → P-Metal을 증착시킴 → n-layer까지 Mesa Etching 진행 → N-Metal 증착 → Scribing & Expander를 통한 칩 분리 → 칩 단위 측정 및 불량 검출의 프롯세스를 통하여 Chip 공정을 마무리합니다.
b) LED Chip의 효율 향상
단위별 칩을 만들기 위한 모든 공정이 다 중요하지만 특히 적극을 어떤 디자인으로 올리느냐에 따라 LED효율을 많이 올라갈 수도, 떨어질 수도 있습니다. Chip 전체를 전극으로 덮으면 전류가 균일하게 되어 균일한 빛이 잘 나올 수 있으나 전극을 덮은 만큼 빛이 차단되어 광효율이 떨어집니다. 반대로 Chip 위에 전극을 작게 만들면 방출되는 빛이 많아지기는 하나 전류가 불균일하게 분포되어 광효율이 급속하게 떨어집니다. 따라서 빛 방출을 위한 효율적인 설계가 꼭 필요합니다.
3. 마치며
이상으로 ‘Epi 층별 구조’의 이해에 대하여 설명드리면서 각 레이어별 역할에 대해 설명드렸습니다. 그리고 ‘LED 칩 공정의 흐름’에서는 ‘LED Chip 프로세스’에 대해 설명드렸고, ‘LED Chip의 효율 향상’에서는 칩 전극 디자인의 중요성에 대해 이야기하였습니다. 다음장에서는 LED 칩의 구조적 차이인 ‘COB Chip’과 ‘Flip Chip’에 대해 설명드리겠습니다.