나노 기술을 이용한 고휘도 LED 기술

질화물반도체(GaN)는 녹색으로부터 청색 및 자색을 발광할 수 있는 유망한 물질로서 3.4eV의 넓은 에너지 밴드 구조, 높은 열적 안정성 및 우수한 전기적, 광학적 특성을 갖는 차세대 화합물 반도체 재료이다. 90년대 초 최초로 질화물반도체를 이용하여 청색 발광다이오드(LED), 녹색 LED, 레이저 다이오드(LD) 등이 개발됐다. 청색 LED 개발로 총 천연색 구현이 가능하게 되어 정보 표시 분야에 매우 큰 영향을 주었으며, 청색 LD의 개발은 짧은 광 파장을 이용한 고효율 광메모리 집적 등 정보 통신 분야에 큰 파급효과를 가져왔다. 또한 LED는 휴대전화 및 대형화면의 백라이트 유닛(BLU), 교통신호 등과 자동차의 실내/외 조명 등의 여러 다양한 산업부분에서 응용되고 있다.화석 에너지 자원의 고갈 및 환경문제로 인해 에너지의 효율적 사용이 세계적으로 중요한 이슈가 되고 있다. 전기 에너지 중에서 조명에 사용되는 에너지의 양이 전체 전기 에너지 사용량의 20%에 육박함에 따라 기존 조명을 대체할 수 있는 LED를 이용한 차세대 조명용(solid-state lighting) 백색광원에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 차세대 조명용 백색광원의 잠재적 경제효과는 매우 크다고 평가되며, 이와 관련된 산업은 21세기에 중요한 산업분야의 하나로 자리 잡고 있다. 세계 3대 조명기구 제조회사인 GE, 오스람, 필립스 등이 최근 질화물계 반도체 LED 회사들과 제휴하여 LED 조명에 투자하고 있으며, 니치아 화학, 크리, 도요다 등 LED 제조회사들이 조명사업에 집중하고 있다.조명용 LED 생산을 위한 기술적 이슈반도체 LED를 조명용 백색광원으로 사용하기 위해서는, 먼저 최대의 내부양자 효율을 얻기 위한 고품질의 질화물계 반도체 박막 성장 기술이 중요하다. 이에 근거하여 다양한 LED 구조 설계와 소자공정의 최적화를 통한 외부 발광효율을 극대화 시켜야 한다. 그 외 형광체와 패키징 역시 중요한 공정의 변수이다. 특히 ‘오믹전극’ 특성이 좋지 않으면 전극과 반도체 사이에 접촉저항이 커지게 되고, 이로 인해 케리어 인젝션 레이티(carrier injection rate)가 떨어지고 계면에서의 열적 손실이 증가하여 소자의 발광 및 양자효율이 저하되는 등 전기적, 구조적 특성에 큰 손실을 주게 된다. 또한 투명전극과 반도체, 에폭시 사이의 큰 굴절률(refractive index)차 때문에 생성된 빛을 빼내기 위한 외부 양자 효율 역시 낮다. 따라서 고효율 전기적, 광학적 특성을 갖는 조명용 고휘도 발광소자를 개발하는데 있어서 고투명성 오믹전극 및 빛 축출 향상 기술 개발은 매우 중요하다.오믹전극의 특성고품위 오믹접촉 전극을 형성하기 위해서는 질화물계 반도체 발광 다이오드의 구조에 따라서 n형 및 p형 오믹접촉 전극 구조도 제각기 알맞은 역할을 할 수 있도록 우수한 광학 및 열적 특성 또한 동시에 지녀야 한다. 예를 들면, p형 오믹전극을 통해서 빛을 발광하는 상부 발광 LED에서는 전기 및 광학적 특성이 동시에 만족되는 투명 전도성 박막 전극을 형성해야 한다.[그림 1(a)] 하지만 높은 빛 투과도를 지니면서 동시에 우수한 전기 전도성을 갖는 물질은 드물다. 또한 고휘도 LED의 경우 열 발산이 중요한 문제가 되는데 상부 발광의 경우 기판인 사파이어는 열전도율이 낮다. 이러한 문제를 개선하기 위해서 플립칩 (flip-chip)형 LED가 개발됐다.[그림 1(b)] 플립 칩 LED에서는 생성된 빛은 아래 높은 빛 반사률을 갖는 오믹접촉 전극에 의해서 투명한 기판인 사파이어를 통해서 외부로 빛을 축출하며, 발생한 열은 아래 서브마운트(submount)를 통해서 발산된다.조명용 광원으로서의 LED개발을 위해서 효율적인 전류주입을 위한 저접촉 저항을 갖는 오믹전극 형성과 전극의 광 축출 효율을 극대화해야 한다. 보통 LED에서는 생성된 빛이 질화물계 반도체와 투명전극을 거쳐서 공기로 빠져 나오는데 이들의 굴절률 값들이 상당히 큰 차이를 가지므로 생성된 빛이 반도체 내부에서 전반사를 일으켜 열로 바뀌게 된다. 빛의 축출 특성은 Snell’s과 Fresnel’s law를 통해서 설명할 수 있다. 즉 외부 발광효율을 향상시키기 위해서는 굴절률을 바꾸거나 표면에 일정한 형태의 패턴을 갖는 표면구조를 만들어 빛이 빠져 나올 수 있는 임계각을 크게 해야 한다.여기서는 나노 입자 도입에 따른 저저항 오믹형성과 나노 패터닝을 통한 빛 축출 향상에 관하여 설명하고자 한다.나노 구조 도입을 통한 낮은 저항 오믹전극 형성질화물반도체 LED에서는 저저항을 갖는 p-형 전극 개발이 매우 중요하다. 이를 위해서 DA 기술, 수퍼레틱스(superlattice) 구조 도입, 표면처리 등과 같은 여러 방법들이 도입됐다. 최근에는 나노 구조를 질화물반도체와 p-형 전극간의 계면에 도입하여 쇼트키 장벽 높이를 조절함으로써 접촉 저항을 낮추었다. 그림 2(a)에서 보여주는 바와 같이 나노 입자 도입되지 않는 경우 반도체/전극의 에너지 밴드 구조가 균일한 휘어짐을 보인다.[그림 2(a)] 그러나 다른 일함수를 갖는 나노 입자가 삽입되면 균일한 에너지 밴드 구조가 2개로 불균일하게 나누어지게 된다. 이때 두 가지 이유로 접촉저항이 낮추어진다. 먼저 다른 일함수를 갖는 입자가 삽입되어 입자/반도체와 박박 전극/반도체 사이의 쇼트키 장벽 높이의 차이가 전체 쇼트키 장벽 높이를 낮추는 역할을 하게 된다. 두 번째는 나노 입자가 삽입되면 주위에 커다란 전위가 생성된다. 결국 전체 전위차는 아래 식으로 표현된다. 수식 오른쪽의 첫 번째 항은 균일한 밴드의 기여이며 두 번째 항은 나노 입자 때문에 발생한 부분이다.그러므로 전체적으로 나노 입자 삽입 때문에 포텐셜 차이가 생성되고 이는 궁극적으로 쇼트키 장벽 높이를 낮추는 결과를 가져온다. 이 관계는 아래 수식으로 표현된다.그림 3은 실제적 예로서, 나노 입자의 존재에 따른 전기적 특성을 나타냈다. 가장 일반적인 전극인 Ni/Au에 관해 실험했다. 나노 입자의 특성만을 조사하기 위해서 보통 실시하는 열처리는 실행하지 않았다. 그림에서 보여주는 것처럼 금 나노 입자 첨가 시, 분명한 전기적 특성 향상을 보인다. 이는 앞에서 설명한 것처럼 나노 입자 삽입에 따른 전기장 형성과 관련이 있다.나노 구조 도입을 통한 고효율 플립 칩LED용 Ag 전극 형성Ag는 Al과 함께 가장 좋은 플립 칩용 반사형 오믹전극이다. 그러나 Al은 일함수가 낮아서 오믹 형성이 어렵고 Ag는 적절한 전기적 특성을 제공하나 열안정성이 떨어진다. 이에 전기적 열안정성을 높이기 위해서 반도체와 Ag 사이에 얇은 전도성 투명박막을 삽입한 후 열처리했다. 열처리 하면 분위기와 온도에 따라서 10~30nm 크기의 투명산화물 나노 입자들이 계면에 생성된다.그림 4는 In-oxide에 근거한 산화물을 삽입한 후에 530℃에서 열처리한 후의 계면 사진이다. 균일한 2nm 두께의 투명산화물박막이 ~20nm 내외의 나노 입자로 분해됐다.그림 5는 산화물 나노 입자 삽입에 따른 전기적 특성을 보여 준다. In를 도핑한 ZnO를 3nm 두께로 삽입한 결과와 Mg를 도핑한 In2O3를 2.5nm 두께로 삽입한 결과이다. 열처리 전에는 전기적 특성이 매우 불량하지만 열처리 시 크게 향상됨을 알 수 있다.그림 6은 나노 입자 형성에 따른 Ag 오믹전극의 열적 안정성을 보여주고 있다. 그림 6(a) 는 Ag의 경우인데 표면과 계면에 많은 보이드(void)들과 작은 핀홀(pinhole)들이 생성됐다. 반면에 나노 입자가 삽입된 경우는 표면이 매우 양호하고 특히 계면에 보이드가 거의 생성되지 않았다.[그림 6(b)] 이는 Ag의 열적 안정성이 나노 입자 존재에 따라서 크게 향상되었음을 의미한다.나노 패턴닝을 이용한 빛 축출율 향상조명용 LED 실현을 위해서 원활한 전류주입과 빛 축출율 향상이 매우 중요하다. 특히 높은 빛 축출을 위해서 포토 리소그래피(photo-lithography)와 내츄럴 리소그래피(natural-lithography) 및 건식에칭(dry-etching)법 등을 이용하여 p-형 투명전극을 패터닝 및 조직화(texturing)함으로써 외부 양자효율을 개선시키고자 했다.다음은 레이저 홀로그래피방식(holographic-lithography)과 ITO 2차 증착법을 이용하여 기존의 건식에칭 방식 없이 투명 ITO 전극을 나노 패터닝했으며 이에 더해 표면 요철 격자(Surface relief grating) 기술을 이용하여 나노 패터닝을 형성시켰다. 표면 요철 격자 형성 기술은 전자빔 리소그래피와 같은 고가의 장비가 필요 없는 매우 경제적인 방법이다.그림 7에서 평면과 패터닝된 표면에서 빛의 축출 경로를 보여준다[그림 7(a)]. 투명전극의 표면을 패터닝 할 경우 그림 7(b) 에서 보여주는 것처럼 사이드 웰(side wall)을 만들어서 빛이 빠져나갈 수 있는 escape cone angle를 추가로 형성하게 되며 결국 LED 광 특성을 향상시킨다.2단계 성장법에 의한 나노 페터닝 형성표면 패터닝은 그림 8에서 보여주는 것처럼 ITO 상부에 스핀코팅한 포토레지스트(PR) 표면에 364nm 아르곤 레이저를 조사하여 1차원 PR 패턴을 형성한 후 현상한 결과를 위 그림에 나타냈다. 위에서 보여준 샘플을 90℃ 회전 후, 다시 레이저를 조사하여 2차원 PR 패턴을 형성했다. 이를 이용해 리프트 오프(lift-off)에 의해 PR을 제거한 결과를 그림 9에 나타냈다. 그림에서 나타난 것처럼 매우 규칙적인 홀 (hole)형태의 ITO 패터닝이 추가적인 건식에칭 없이 쉽게 형성되었을 뿐만 아니라, 레이저 홀로그래피 장비의 입사각(θ)과 패터닝된 샘플의 주기(Λ) 사이에 다음과 같은 관계 (Λ = λ /(2sinθ))를 토대로 ITO 홀 패턴의 주기를 변화시켰다. 주사전자현미경(SEM)으로 확인한 결과 패터닝된 홀은 320nm의 크기와 570, 710nm 수준의 주기를 보였다.2단계 패터닝에 따른 전기적 특성그림 10은 홀 패터닝된 ITO 전극(각각 570nm와 710nm 주기)이 적용된 LED의 광 출력 특성을 나타내고, 삽입된 그림은 소자의 전기적 특성을 나타낸다. 우선 홀 패터닝된 ITO 전극(570nm와 710nm 주기)이 적용된 LED의 경우 20mA 주입전류에서 각각 3.89V와 3.87V의 동작전압을 보였는데, 이는 ITO 전극이 패터닝 되지 않은 샘플의 값(3.71V)보다 다소 높음을 알 수 있다. 한편 홀 패터닝된 ITO 전극(570nm와 710nm 주기)이 적용된 LED의 경우 패터닝 되지 않은 ITO 전극 혹은 기존 Ni/Au 전극 대비 매우 우수한 광 출력 특성을 나타냄을 알 수 있다. 예를 들어, 홀 패터닝된 ITO 전극(710nm 주기)을 갖는 LED의 경우, 패터닝 되지 않은 ITO와 Ni/Au 전극 대비 각각 23%, 67%의 증가를 나타냈고, 추가적으로 홀 패터닝된 ITO 전극의 주기를 570nm로 감소시킨 경우 패터닝 되지 않은 ITO 전극 대비 29.6%의 광 출력 향상을 나타냈다.표면 요철 격자(SRG)법에 의한 나노 페터닝 형성SRG법에 의한 패터닝을 위해서 먼저 Azobenzene-func- tionalized 폴리머 박막 PDO3(Poly (disperse orange 3))을 500nm 두께로 스핀 코팅법에 의해서 LED의 투명전극에 올렸다. 그림 11에서 나타난 것처럼 1차원의 SRG는 488nm의 Ar+ 레이저빔의 간섭 효과를 이용하여 형성했다. 2차원 hexagonal hole-shaped SRG를 형성하기 위해서 시편을 1차원 SRG 형성 후 시편을 60°로 돌려서 형성했다.그림 12는 1차원 및 2차원 나노 패턴이 새겨진 ITO 표면의 원자 힘 현미경 사진과 도시화된 LED를 나타내고 있다. 나노 패턴이 없는 ITO층의 경우에는 표면 RMS roughness가 3.1nm 수준으로 평평했으며 385nm파장 대에서 90%의 광 투과율을 보였다. 그러나 식각 공정 후 ITO 전 표면에 1차원 선형 패턴과 2차원 육각형 형태의 나노 패턴이 형성됐다. 1차원과 2차원의 나노 패턴의 주기는 각각 500nm와 100nm가 됐다.그림 13은 나노 패턴 공정 전후의 CIO/ITO p형 전극과 Ni/Au p형 전극이 적용된 소자들의 전류-전압 특성을 나타내고 있다. 나노 패턴이 형성된 CIO/ITO 발광 다이오드와 형성이 되지 않는 CIO/ITO 발광 다이오드의 경우 둘 다 비슷한 전기적 특성을 보이고 있으며 둘 다 Ni/Au 발광 다이오드 보다 좋은 특성을 보인다.패턴이 형성된 CIO/ITO 발광 다이오드는 20mA의 정 전류에서 3.35V의 전압 수치를 보이고 있으며 18.54Ω의 시리즈 저항 수치를 보였다. 반면 패턴이 되지 않는 CIO/ITO 발광 다이오드와 Ni/Au 발광 다이오드의 경우 20mA 정 전류 하에서 각각 3.36V, 3.45V의 전압 수치와 19.97Ω, 24.14Ω의 시리즈 저항 수치를 보였다. 파장에 따른 소자의 전기 발광 특성을 주입전류 20mA 하에서 측정했다.그림 14는 나노 패턴이 형성된 CIO/ITO 발광 다이오드, 형성이 되지 않는 CIO/ITO 발광 다이오드, 일반적인 Ni/Au 발광다이오드의 주입전류에 따르는 광 출력-전류(L-I) 특성을 나타내고 있다.나노 패턴이 형성된 CIO/ITO 발광 다이오드가 나머지 두 발광 다이오드에 비해 전 전류 영역에 걸쳐 높은 광 출력을 보이고 있다. 예를 들어 나노 패턴이 형성된 CIO/ITO 발광 다이오드의 경우 주입전류 20mA 하에서의 광 출력이 나노 패턴이 형성 되지 않는 CIO/ITO 발광 다이오드와 Ni/Au 발광 다이오드에 비해서 각각 40%와 63%가 향상 됐다.요약반도체 LED를 이용한 조명용 백색광원 개발은 필연적으로 고효율 LED 개발을 요구하는데 이때 LED의 성능은 오믹전극 기술 향상을 통해서 일부 향상 시킬 수 있다.첫 번째는 나노 입자를 반도체와 전극 사이에 형성하여 전류주입을 최대화 할 수 있다.두 번째는 레이저 홀로그래피법과 표면 요철 격자법을 사용하여 저저항을 갖는 투명전극을 나노 패터닝 함으로써 빛 축출 효율을 향상시켜서 외부 발광효율을 최대화 할 수 있었다.위의 두 가지 방법들은 고효율 LED 개발에 있어서 매우 중요한 공정변수를 제공할 것으로 기대된다.

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김가희 (webmaster@techworld.co.kr)

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