GaN 기반의 다수 발광영역을 갖는 단일 발광다이오드 칩의 제작과 특성에 관한 연구

Abstract

차세대 광원으로 각광받고 있는 질화물 기반의 LED소자는 주로 사파이어 기판 위에 성장이 된다. 하지만 사파이어 기판은 낮은 열전도성에 의해 방열문제를 야기하여 소자의 신뢰성에 영향을 미친다. 또한, 일반적인 LED의 발광은 p형의 LED 상단에피로부터 광추출을 얻는데, 이 과정에서 p형 투명전극과 p형 패드전극에 의한 광흡수가 발생하여 광효율손실을 야기한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 n형, p형 전극을 PCB 기판에 직접 붙여 패키징하는 플립칩 패키징 기술이 주목을 받고 있다. 플립칩 패키징 기술은 Lapping/Polishing 과정을 통해 얇아진 사파이어 기판을 통해 광을 추출하기 때문에 p형 전극, 패드에 의한 광흡수손실을 최소화 시키고, GaN epi면으로 광을 추출하는 경우보다 임계각을 크게 하여 내부전반사효과를 감소시키는 것이 가능하다. 또한, 기존의 와이어본드 패키징과 비교하여 뛰어난 방열특성을 가지므로, 플립칩 기술은 고출력 발광다이오드 구현에 적합한 기술이다.

본 연구에서는 InGaN 기반의 LED 플립칩 구현을 위한 소자구조를 설계, 제작하여 소자의 광학적, 전기적 특성을 조사하였다. 2인치 사파이어기판 위에 성장된 이종접합구조의 LED 에피를 LED chip 영역을 제외하고 8000 Å 만큼 건식식각을 하였으며, 식각 된 칩 상단부에 p형 metal로 ITO를 증착하였다. 그 후, 절연막 SiO2를 증착하고, n-, p-metal 영역의 SiO2를 photolithography공정을 통해 식각하여 n형 GaN 영역을 독립적으로 두었다. 순차적으로 n-metal, reflector & barrier metal, 1차 n형 solder, 2차 p형 solder를 증착하였으며, 이 때 Cr/Ni/Au, Ni/Ti/Ag/Ni/Ti/Au, Ti/Sn, Sn/Au 물질을 각각 사용하였다. 그림 1은 제작된 플립 모듈의 3차원 모식도이다. p-metal 영역과 n-metal 영역 사이에 과전류 방지를 위한 피뢰침을 두었고, 별도의 플립칩 패키징을 통해 칩이 발광할 수 있는 구조를 하고 있다. 제작된 플립칩 LED의 EL spectrum의 측정한 결과, 주된 발광 peak는 455 nm 부근에서 발견되었다. 전류-전압 특성을 알아보고자 전압을 변수로 하여 측정한 결과, 5 V 전압을 인가하였을 때 1개의 p형 전극으로 200 mA의 전류를 흘릴 수 있었다. 이러한 결과를 미루어 보아 플립칩 패키징을 통하여 고출력 발광다이오드 제작이 기대 된다.