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실리콘 상의 Red InGaN 마이크로 LED 전망
2024-08-15 17:32:39
뉴스 소스：
한국의 연구자들은 4인치 실리콘(Si) 기판에 제작된 인듐갈륨질화물(InGaN) 적색 마이크로 스케일 발광 다이오드(micro-LED)의 크기에 따른 특성에 대해 보고했습니다[Juhyuk Park et al, Optics Express, v32, p24242, 2024].
한국과학기술원(KAIST), 한국나노팹연구센터(KANC), 충북대학교의 연구팀은 자신들의 연구를 선구적인 것으로 보고, "이 연구는 100μm 미만의 치수를 가진 Si 기판에서 성장된 InGaN/GaN 적색 마이크로 LED의 크기에 따른 특성을 조사한 최초의 연구"라고 덧붙였다.
주도의장치를 기반으로 한 배열은 인치당 최대 4232픽셀(PPI)의 해상도에 도달했습니다. 상대적으로 열악한 적색 LED 성능은 InGaN LED 기술을 기반으로 한 풀 컬러 디스플레이로 가는 길에 걸림돌입니다. 훨씬 낮은 비용 외에도 실리콘 기판을 사용하는 이점에는 보다 일반적인 사파이어 기반 에피택시보다 더 나은 열 전도성이 포함됩니다.
빨간색 마이크로 LED 어레이의 에피택셜 구조는 4인치 Si(111) 웨이퍼(그림 1)에서 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)으로 성장되었습니다. 버퍼 영역은 1.3μm이고 그 다음에 2μm n-GaN 접촉이 있습니다. 초격자는 0.9/5nm Al0.04Ga0.96N/In0.05Ga0.95N 10쌍으로 구성되었습니다.
그림 1: (a) InGaN/GaN 적색 마이크로 LED 에피택셜 구조. (b) 투과 전자 현미경(TEM) 이미지. (c) 4인치 실리콘 웨이퍼에 대한 InGaN/GaN 적색 마이크로 LED의 제조 공정 흐름 및 사진 삽입.
활성 광 생성 영역은 3웰 다중 양자 웰(MQW)로 구성되었습니다. 웰은 10nm GaN 장벽으로 분리된 2.4nm In0.23Al0.05Ga0.72N이었습니다. MQW는 3단계(13%, 7%, 42%)로 Al 함량이 변하는 12nm AlGaN으로 캡핑되었습니다. 구조는 150nm p-GaN을 접촉층으로 완성했습니다.
연구자들은 이 소재를 사용하여 적색 마이크로 LED 어레이를 제작했습니다. 첫 번째 단계는 200nm 어닐링 인듐 주석 산화물(ITO)을 투명한 오믹 도체 p 전극으로 증착하는 것이었습니다. 개별 LED의 메사 구조는 3단계 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭 공정을 통해 제작되었습니다. 단계는 ITO 에칭, ITO 잔류물을 제거하기 위한 염산 처리, n-GaN 층까지의 최종 에칭으로 구성되었습니다.
공통 n 전극과 ITO p 접촉부를 가진 금속 접촉부는 500nm 실리콘 질화물(SiNx) CVD 패시베이션 후 증착된 크롬/금(Cr/Au)으로 구성되었습니다. 수동 매트릭스(PM) 어레이 형식이 LED를 픽셀로 함께 연결하는 데 사용되었습니다.
연구자들은 이 모든 공정이 4인치 웨이퍼 규모에서 수행되었다고 지적합니다. 팀은 "반도체 제조에서 비용을 낮추는 가장 효과적인 방법은 대규모 웨이퍼 수준 제조를 통해서입니다. 단일 공정에서 더 많은 수의 장치를 생산할 수 있기 때문입니다."라고 언급했습니다.
역방향 바이어스 하에서 암전류 밀도는 5μm에서 100μm까지 모든 장치 크기에 대해 1μA/cm2 미만이었습니다.
LED는 주입 전류 밀도가 증가함에 따라 파장에서 청색 이동을 겪었습니다. 12μm LED 어레이의 경우, 파장은 각각 3A/cm2와 30A/cm2 사이의 주입에 대해 648nm에서 624nm로 이동했습니다. 표준 적색 642nm 방출은 5A/cm2에서 발생했습니다.
LED의 반치폭(FWHM)은 낮은 주입에서 약 65nm였고, 30A/cm2에서 50nm로 좁아졌습니다. 이는 방출의 큰 덩어리를 '빨간색'(625-750nm)이 아닌 '주황색' 범위(590-625nm)에 두었습니다.
연구자들은 "InGaN 양자 우물의 피크 파장 이동은 양자 한정 스타크 효과(QCSE)와 밴드 필링 효과에 기인한다"고 논평했습니다.
QCSE는 에피택셜 구조를 구성하는 다양한 In-AlGaN 합금의 전하 분극의 변형에 따른 대비로 인해 발생하는 전기장과 인가된 전기장의 조합이 달라 에너지 레벨이 이동하여 발생합니다.
밴드 필링 효과는 전도대와 원자가대, 그리고 국소 상태가 더 높은 전류 주입에서 채워지는 것을 말합니다(인듐 농도가 더 불균일한 경향이 있는 고인듐 함량 InGaN에서 흔히 볼 수 있듯이). 전도대 상단의 전자는 더 큰 에너지 차이를 통과하여 정공과 재결합해야 하며, 이로 인해 더 높은 에너지/더 짧은 파장의 광자가 생성됩니다.
'주요' 파장은 정상적인 인간 눈의 지각을 고려하여 단일 파장으로 축소하여 결정되었으며, LED가 빨간색보다 주황색에 더 가깝다는 것을 보여줍니다. 가장 큰 100μm LED는 각각 10~130A/cm2의 주입에 대해 612nm~588nm의 주요 파장을 기록했습니다. 5μm 장치의 해당 주요 파장 범위는 610~583nm였습니다.
그림 2: 다양한 장치 크기를 갖춘 InGaN/GaN MQW 적색 마이크로 LED의 EQE.
피크 외부 양자 효율(EQE)은 5μm LED의 경우 0.52%에서 100μm의 경우 0.36%까지 다양했습니다(그림 2). 피크가 발생한 주입은 3A/cm2에서 5A/cm2 사이에서 달랐지만 명확한 추세는 없었으므로 차이가 공정 변화 때문이라고 암시합니다. 반면 III-인화물 소재를 기반으로 하는 경쟁 적색 LED 기술은 크기에 따라 피크 EQE 주입 전류가 크게 변합니다.
더 작은 InGaN 소자의 더 높은 EQE는 인화물 기반 LED에 비해 측벽 재결합이 감소하고 광 추출 효율(LEE)이 더 높기 때문으로 설명됩니다.
InGaN의 캐리어는 비방사 재결합을 위해 측벽으로 이동하는 것보다 국소 상태에 갇힐 가능성이 더 높습니다. 또한 작은 장치는 전반사 효과에 갇히지 않고 더 많은 빛이 빠져나갈 수 있게 하여 LEE를 증가시킵니다.
이 팀은 또한 실리콘 위의 적색 InGaN 마이크로 LED에 대한 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스(UCSB)와 사우스차이나노멀대학교의 최근 보고서와 그들의 작업을 비교합니다. 피크 EQE에 대한 USCB와 사우스차이나 데이터 포인트는 각각 0.021%와 2.3%였습니다.
연구팀은 5μm 장치가 특히 디스플레이에 적합하다고 보고 있습니다. 피크 EQE는 약 3A/cm2에서 발생하는데, 이는 0.75μA의 낮은 구동 전류에 해당하며, 이는 주류 실리콘 CMOS 장치 드라이버에서 공급할 수 있습니다.
연구자들은 웨이퍼 본딩을 통해 실리콘 기판을 제거하고, 더 높은 LEE를 위해 장치 구조를 최적화하고, 높은 인듐 첨가로 인한 변형을 완화하기 위해 버퍼를 최적화하는 등 추가적인 개발을 통해 EQE를 향상시킬 수 있다고 제안했습니다.
이 팀은 또한 5μm 및 12μm LED 어레이에서 선택적 배선을 통해 이미지를 생성하는 능력을 보여줍니다(그림 3). 더 작은 장치는 자연스럽게 더 높은 해상도를 달성했습니다.
그림 3: 다양한 주입으로 구동되는 다양한 어레이의 이미지.
InGaN LED 장치의 한계를 감안할 때, 연구자들은 펄스 진폭 변조(PAM)보다는 펄스 폭 변조(PWM)가 LED 밝기를 제어하는 더 나은 방법일 수 있다고 제안합니다. 해당 한계에는 전류 주입에 따른 효율과 파장 변화가 포함되므로 고정 전류 주입 진폭을 사용하는 것이 바람직합니다.
연구진은 3.3V로 바이어스된 12μm LED에서 3A/cm2의 전류 주입을 통해 펄스 듀티 사이클이 각각 10%에서 90% 사이로 변할 때 476니트에서 4148니트(칸델라/m2) 사이의 광 휘도에 대한 선형적 종속성을 발견했습니다.
연구자들은 "이러한 측정은 InGaN/GaN 적색 마이크로 LED 장치에서 PWM을 사용하여 피크 이동 없이 적색 방출로 회색조를 표현할 수 있음을 확인했습니다."라고 논평했습니다.
출시일: 2024년 5월 31일 / 11월 30일
언어: 중국어 번체 / 영어
형식: PDF
페이지: 160-180