LED 제품의 구성으로 크게 ‘Epi’, ‘Chip’, ‘PKG’로 나눌 수가 있으며 PKG에 형광체, 수지, Bonding wire 등이 포함됩니다. Chip에는 전극과 Etching 작업등이 포함됩니다. LED 제품의 효율적인 설계에 따라 광효율, 방열, 빛의 지향각, 그리고 신뢰성등을 더 향상할 수 있습니다. 본 내용에서는 LED 제품을 구성하는 3가지의 특성에 대해 설명드리겠습니다.
1. ‘MOCVD'( Metal Organic chemical Vapour Deposition)를 이용한 Epi
a) ‘Epi’란 무엇인가?
우리가 일반적으로 얘기하는 ‘Epi’는 ‘Epitaxy’ 또는 ‘Epitaxial Growth’를 의미합니다. 일반적으로 결정 기판 위에 방향성을 가진 결정 레이어( Layer)가 ‘Growth’ 하는 현상을 이야기합니다. LED는 Wafer ( Sapphire 혹은 SiC) 위에 결정구조 ‘Epi’ layer 구조를 성장시킨 다음, ‘LED Chip’ 공정을 거치게 됩니다. 업체에 따라 웨이퍼 사이즈는 2인치, 3인치, 6인치 ‘Sapphire wafer’를 챔버사이즈에 맞게 이용하여 Epi 성장을 합니다.
b) ‘MOCVD’ 챔버 내 Epi 성장
‘MOCVD’ 챔버 내의 LED ‘Epi 성장’에 대해 설명하겠습니다. 챔버내 ‘Substrate’ 온도는 섭씨 1,000℃ 가 넘는 고온을 유지하면서 Ga과 N 성분의 가스를 흘려주어 ‘GaN layer’를 성장합니다. Sapphire Substrate위에 ‘GaN Layer’ 성장 시 Si를 흘려주어 ‘N-Type GaN layer’를 만든 후 Active Layer 역할을 하는 ‘InGaN’를 성장합니다. 그 위에 GaN layer에 MG을 흘려주어 ‘P-type의 GaN’을 성장하여 ‘Epi 구조’를 완성하게 됩니다.
2. ‘MOCVD’ 내 ‘Epi-Growth’원리
a) ‘Epi- Growth’의 원리
Epi를 성장하기 위해 Chamber 내 Wafer 표면에 TMGa(트릴메틸갈륨) 가스와 NH3( 암모니아) 가스를 불어넣어 주면 섭씨 1000℃가 넘는 Substrate 표면의 Boundary Layer 내에서 Ga과 N의 원자상태로 만나 원자레벨 사이즈로 GaN Layer를 형성하게 됩니다. 분자상태로 들어온 트릴메틸 갈륨은 고온 표면에서 CH3는 떨어져 나가 Ga원자만 남게 되고 Substrate 표면을 돌아다니다가 Potential 에너지가 가장 낮은 계단모양의 Step에서 Ga과 N가 만나 GaN을 만들고 연속적으로 이어져 Layer By Layer 성장을 하게 됩니다.
b) ‘Epi-Growth’는 결정성장
Epi Growth의 단어의 뜻은 그대로 결정 위에 결정이 이어져 성장하는 의미로 Wafer 표면에 존재하는 원자와 Layer물질이 본딩을 이루어 그대로 성장하여 layer 상태로 결정을 이룬다는 뜻입니다. Substrate와 layer 사이의 격자정수 차이는 있지만 특정 조건에서 Substrate와 성장 layer가 Bonding이 일어나 하나의 결정형태로 성장해 나갑니다. 반면에 우리가 금속 위에 다른 물질을 코팅하거나 손톱 위에 매니큐어를 바를 때와 같은 현상은 성장이라는 표현을 쓰지 않고 Deposition이라는 표현을 씁니다. 결국 Epi Growth와 Deposition은 큰 차이가 있음을 이해해 주시면 되겠습니다.
3. 마치며
이상으로 오늘은, ‘1. MOCVD를 이용한 Epi’에서 ‘Epi란 무엇인가’와 ‘MOCVD 챔버 내 Epi 성장’에 대해 설명한 후, 2. 에서 ‘MOCVD내 Epi- Growth’에서 ‘Epi-Growth의 원리’와 ‘Epi-Growth는 결정성장’에서 ‘성장’의 본래 의미를 설명하였고, ‘MOCVD’ 챔버 내에서의 ‘Layer by layer’성장에 대해서 설명하였습니다. 이번 설명으로 ‘layer 결정 성장’의 의미를 잘 아셨을 것입니다. 다음 장에서는 간단한 Epi- 구조에 대해 설명과 LED Chip의 Process에 대해 설명드리겠습니다.