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독립 GaN 상 UV-A LED를 위한 가시광 레이저 리프트 오프

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작성자 관리자 조회 19,005회 작성일 14-10-10 11:00

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독립 GaN 상 UV-A LED를 위한 가시광 레이저 리프트 오프

 

일본 메이조와 나고야 대학들은 광추출 효율을 개선하기 위해 자외선 (UV) 발광 다이오드 (LED)에서 갈륨 질화물 (GaN) 기판을 제거하기 위한 레이저 리프트 오프 (LLO) 기술을 개발했다 [Daisuke Iida et al, Appl. Phys. Lett., vol105, p072101, 2014].
 
GaN 기판들은 산소와 탄소와 같은 불순물에 의해 UV-A 광을 흡수한다. 일반적으로 LLO 기술은 사파이어 기판에서 GaN 버퍼 층을 분리하기 위해 UV 레이저 광을 이용한다. 이 UV 광은 GaN 층에 의해 강하게 흡수되지만 사파이어는 흡수하지 않는다. 흡수된 광은 사파이어에서 GaN을 분리할 수 있도록 Ga 방울을 형성하고 GaN 기판을 분해한다.
 
그러나, UV LED 소자들은 UV 레이저 광이 UV 활성 영역을 손상시키기 때문에 이 방법으로 분리 할 수 없다. 메이조/나고야 대학 연구팀은 갈륨 인듐 질화물 (GaInN) 층을 가진 초격자에 의해 흡수 된 가시 레이저 광을 이용하는 독립 GaN 기판 상에 성장된 소자를 위해 LLO 기술을 대신 개발했 다. 독립 GaN 기판들의 이용은 성능 저하의 주범인 쓰레딩 전위들의 밀도를 감소시켜 성능을 개선 하게 해 준다.

 

 














이 이종구조들은 하향 2인치 3웨이퍼 수직형 흐름 반응기 내 금속-유기 기상 에피텍시로 제조됐다. 이 기판은 106/㎠ 이하의 쓰레딩 전위 밀도를 가지는 독립 GaN이다. 연구원들은 제거 층으로 역할 을 하는 Ga0.85In0.15N/GaN 초격자(SL)를 포함한 LLO 기술을 최초로 개발했다.

 

샘플들은 제거 층의 유무에 따라 성장되었다. 제거 층은 1μm n-GaN들에 의해 겹쳐졌다 (샘플 A). 제거 층이 없는 샘플 B에 비교하여, 1μm n-GaN 층은 독립 기판 상에 성장되었다. 샘플들은 2μm n-Al0.03Ga0.97N로 완성되었다.

 

GaInN 물질은 고온에서 불안정하고 n-GaN과 n-AlGaN 층들을 성장시키는데 이용되는 1040°C에 같이 고온에서 형성되는 인듐 방울들로 분해한다. 샘플 A의 쓰레딩 전위 밀도는 제거 층이 없는 샘플 B가 3x106/㎠로 더 작아지지만, 5x107/㎠로 증가됐다.

 

연구원들은 성장 동안 Ga0.85In0.15N/GaN SL들의 분해 후 쓰레딩 전위들은 n-GaN과 In 방울 층 사이 계면에서 불일치 전위의 발생을 통해 유발된다고 말했다.

 

이는 샘플 A 템플렛 상에 성장된 소자의 경우 LED 성능이 줄어드는 것을 기대할 수 있다. 하지만, 두 샘플들 모두에서 전위 밀도는 사파이어 상에 성장된 질화물 반도체들이 일반절을 나타내는 값인 2-5 x 10^8/㎠보다 여전히 낮다.

 

LLO 방법을 개발했던 연구원들은 적합성을 시험하기 위해 380nm UV-A LED를 만들었다. 제거 층은 8주기의 SL로 구성되었다. 제거 층 상부는 1μm n-GaN, 2μm n-AlGaN, 10 주기 2nm/2nm Ga0.97In0.03N/GaN SL, 10 주기 6nm/12.5nm Ga0.95In0.05N/GaN 다중 양자 우물 (MQW) 활성 영역, 20nm p-Al0.13Ga0.87N 전자 차단층, 120nm p-GaN 접촉으로 구성되었다.

 

제조는 n-AlGaN 접촉층까지의 플라즈마 식각, n-과 p-접촉들인 은/인듐 주석 산화물 (ITO) 증착, 500μm x 600μm 칩 절삭, 금 범프들을 이용한 서브마우트 상으로 뒤집기, 칩과 서브마운트 사이 틈 의 에폭시 레진 주입 등의 단계를 거쳤다.

 

다음 125mJ/㎠의 조사 에너지 밀도를 가진 펄스형 제2 고조파 532nm Nd:YAG 레이저를 이용한 LLO 단계를 거친다. 시험들은 인듐 방울들로 분해된 SL 제거 층은 표면 플라즈몬 공명을 통해 가 시광을 흡수한다. 그러므로, 레이저 광은 리프트-오프 되도록 제거 층에 의해 선택적으로 흡수된다. 따라서 소자 층들은 다른 LLO 공정들에서 자주 발생하는 고에너지 가시 레이저 광에 의안 손상이 발생하지 않는다. 최종적으로, 이 LED의 방출 표면은 뜨거운 칼륨 수산화 용액 내 식각 공정으로 거칠어진다. 이 거친 표면들은 광추출 효율을 증가시킬 수 있다.

 

LLO 소자가 템플렛의 낮은 쓰레딩 전위 밀도로 인한 내부 양자 효율(IQE)의 감소가 기대되지만, 더 높은 광추출 효율은 샘플 B 템플렛 상에 제조된 비교 소자에 비교해 더 밝은 방출을 초래한다. 또 한, LLO LED의 피크 파장은 비교 소자의 383nm에 비해 380nm로 약간 더 짧았다. 두꺼운 GaN 기판은 더 긴 파장을 피크를 이용시키도록 더 강하게 파장들을 흡수한다.

 

5mA에서 LLO LED의 광출력은 비교 소자에 비해 1.7 배 크다. 동시에, 전류 대비 전압 특성은 두 소자들이 매우 비슷했다. 연구원들은 이 결과가 n-AlGaN 접촉의 매우 낮은 저항에 의한 것으로 믿 고 있다.

 













출처:KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

원문: http://www.semiconductor-today.com/news_items/2014/SEP/MEIJO_090914.shtml

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