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실리콘 기반 Red InGaN 마이크로 LED 전망
2024년 8월 15일
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한국의 연구진은 4인치 실리콘(Si) 기판에 제조된 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), 충북대학교 연구팀은 자신들의 연구를 선구적인 연구로 보고, "이 연구는 100μm 미만의 크기를 가진 Si 기판에서 성장된 InGaN/GaN 적색 마이크로 LED의 크기에 따른 특성을 조사한 최초의 연구"라고 덧붙였다.
주도의 이 소자 기반 어레이는 인치당 최대 4,232픽셀(PPI)의 해상도를 달성했습니다. 상대적으로 낮은 적색 LED 성능은 InGaN LED 기술 기반 풀컬러 디스플레이로 가는 길에 걸림돌이 되고 있습니다. 실리콘 기판을 사용하면 비용이 훨씬 저렴할 뿐만 아니라, 일반적인 사파이어 기반 에피택시보다 열전도도가 더 우수하다는 장점이 있습니다.
적색 마이크로 LED 어레이의 에피택셜 구조는 4인치 Si(111) 웨이퍼(그림 1)에 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD)을 통해 성장되었다. 버퍼 영역은 1.3μm이고, 그 위에 2μm n-GaN 접촉 영역이 형성되었다. 초격자는 0.9/5nm Al0.04Ga0.96N/In0.05Ga0.95N 10쌍으로 구성되었다.
그림 1: (a) InGaN/GaN 적색 마이크로 LED 에피택셜 구조. (b) 투과 전자 현미경(TEM) 이미지. (c) 4인치 실리콘 웨이퍼 위의 InGaN/GaN 적색 마이크로 LED의 제조 공정 흐름 및 사진 삽입.
능동 광 생성 영역은 3웰 다중 양자 우물(MQW)로 구성되었습니다. 각 우물은 2.4nm 두께의 In0.23Al0.05Ga0.72N으로 구성되었으며, 10nm 두께의 GaN 장벽으로 분리되어 있습니다. MQW는 Al 함량을 3단계(13%, 7%, 42%)로 변화시키는 12nm 두께의 AlGaN으로 캡핑되었습니다. 구조는 150nm 두께의 p-GaN을 접촉층으로 사용하여 완성되었습니다.
연구진은 이 재료를 사용하여 적색 마이크로 LED 어레이를 제작했습니다. 첫 번째 단계는 투명 오믹 도체 p 전극으로 200nm 두께의 열처리된 인듐 주석 산화물(ITO)을 증착하는 것이었습니다. 각 LED의 메사 구조는 3단계 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭 공정을 통해 제작되었습니다. 이 공정은 ITO 에칭, ITO 잔류물 제거를 위한 염산 처리, 그리고 n-GaN 층까지의 최종 에칭으로 구성되었습니다.
공통 n 전극과 ITO p 전극을 연결하는 금속 접촉부는 500nm 질화규소(SiNx) CVD 패시베이션 후 증착된 크롬/금(Cr/Au)으로 구성되었습니다. LED를 픽셀 단위로 연결하는 데에는 수동 매트릭스(PM) 어레이 방식이 사용되었습니다.
연구진은 이 모든 공정이 4인치 웨이퍼 규모에서 수행되었다고 강조합니다. 연구팀은 "반도체 제조에서 비용을 절감하는 가장 효과적인 방법은 대규모 웨이퍼 수준 제조입니다. 단일 공정으로 더 많은 소자를 생산할 수 있기 때문입니다."라고 말합니다.
역방향 바이어스 하의 암전류 밀도는 5μm에서 100μm까지 모든 크기의 소자에서 1μA/cm2 미만이었습니다.
주입 전류 밀도가 증가함에 따라 LED의 파장이 청색 편이되었습니다. 12μm LED 어레이의 경우, 주입 전류가 3A/cm²에서 30A/cm² 사이일 때 파장이 648nm에서 624nm로 각각 이동했습니다. 표준 적색 642nm 방출은 5A/cm²에서 발생했습니다.
LED의 반치폭(FWHM)은 저전류 주입 시 약 65nm였으며, 30A/cm²에서는 50nm로 좁아졌습니다. 이로 인해 방출량의 상당 부분이 '적색'(625~750nm)이 아닌 '주황색'(590~625nm) 영역에 위치하게 되었습니다.
연구진은 "InGaN 양자우물의 피크 파장 이동은 양자 구속 스타크 효과(QCSE)와 밴드 필링 효과에 기인한다"고 밝혔습니다.
QCSE는 에피택셜 구조를 구성하는 다양한 In-AlGaN 합금의 전하 분극의 변형률에 따른 대비로 인해 발생하는 전기장과 인가된 전기장의 다양한 조합으로 인해 에너지 레벨이 이동한 결과입니다.
밴드 필링 효과는 전도대와 원자가대, 그리고 국소적 상태가 더 높은 전류 주입에서 채워지는 현상을 말합니다(인듐 농도가 더 불균일한 경향이 있는 고인듐 함량 InGaN에서 흔히 볼 수 있듯이). 전도대 상단의 전자는 더 큰 에너지 차이를 통과해야 정공과 재결합하여 더 높은 에너지/더 짧은 파장의 광자를 생성합니다.
일반적인 사람의 눈에 대한 인지를 고려하여 단일 파장으로 축소한 '주요' 파장을 측정한 결과, LED가 빨간색보다 주황색에 더 가까운 것으로 나타났습니다. 가장 큰 100μm LED는 10A/cm²에서 130A/cm² 사이의 주입량에 대해 각각 612nm에서 588nm 사이의 주요 파장을 기록했습니다. 5μm 소자의 경우, 해당 주요 파장 범위는 610~583nm였습니다.
그림 2: 다양한 장치 크기를 갖춘 InGaN/GaN MQW 적색 마이크로 LED의 EQE.
최대 외부 양자 효율(EQE)은 5μm LED의 경우 0.52%에서 100μm LED의 경우 0.36%까지 나타났습니다(그림 2). 피크가 발생하는 주입 전류는 3A/cm²에서 5A/cm² 사이로 달랐지만, 명확한 추세는 없었으며, 이는 공정 변화에 따른 차이임을 시사합니다. 이와 대조적으로, III-인화물 소재를 기반으로 하는 경쟁 적색 LED 기술은 크기에 따라 최대 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 대신 국소 상태에 갇힐 가능성이 더 높습니다. 또한, 소형 소자는 전반사 효과에 갇히지 않고 더 많은 빛이 방출되도록 하여 LEE를 증가시킵니다.
연구팀은 또한 캘리포니아 대학교 산타바바라(UCSB)와 남중국사범대학교의 실리콘 기반 적색 InGaN 마이크로 LED에 대한 최근 연구 결과와 연구 결과를 비교했습니다. USCB와 남중국사범대학교의 최대 EQE 데이터 포인트는 각각 0.021%와 2.3%였습니다.
연구팀은 5μm 소자가 디스플레이에 특히 적합하다고 보고 있습니다. 최대 EQE는 약 3A/cm2에서 발생하는데, 이는 0.75μA의 낮은 구동 전류에 해당하며, 이는 주류 실리콘 CMOS 소자 드라이버에서 공급할 수 있습니다.
연구진은 웨이퍼 본딩을 통해 실리콘 기판을 제거하고, 더 높은 LEE를 위해 장치 구조를 최적화하고, 높은 인듐 첨가로 인한 변형을 완화하기 위해 버퍼를 최적화하는 등의 추가적인 개발을 통해 EQE를 향상시킬 수 있다고 제안했습니다.
연구팀은 또한 5μm 및 12μm LED 어레이에 선택적으로 배선하여 이미지를 생성하는 능력을 시연했습니다(그림 3). 더 작은 소자일수록 당연히 더 높은 해상도를 달성했습니다.
그림 3: 다양한 주입으로 구동되는 다양한 어레이의 이미지.
InGaN LED 소자의 한계를 고려할 때, 연구진은 펄스 진폭 변조(PAM)보다는 펄스 폭 변조(PWM)가 LED 밝기 제어에 더 나은 방법일 수 있다고 제안합니다. 이러한 한계에는 효율과 전류 주입에 따른 파장 변화가 포함되므로, 고정된 전류 주입 진폭을 사용하는 것이 바람직합니다.
연구진은 3.3V로 바이어스된 12μm LED에서 3A/cm2의 전류 주입을 제공하고 펄스 듀티 사이클이 각각 10%에서 90% 사이로 변할 때 476니트에서 4148니트(칸델라/m2) 사이의 광 휘도에 선형적 의존성이 있음을 발견했습니다.
연구진은 "이번 측정 결과는 InGaN/GaN 적색 마이크로 LED 소자에서 PWM을 사용하여 피크 이동 없이 적색 방출로 회색조를 표현할 수 있음을 확인시켜 주었다"고 밝혔습니다.
출시일: 2024년 5월 31일 / 11월 30일
언어: 중국어 번체 / 영어
형식: PDF
페이지: 160-180