Atomic layer etching of GaN microLEDs for damage removal

국문 초록 (Abstract)

최근 디스플레이 산업에서는 고해상도, 고밀도 구현을 위한 초소형 픽셀 기술이 요구되며, 특히 AR/VR 등 차세대 디바이스에서 μLED는 낮은 전력 소비, 고휘도, 장수명 등으로 주목받고 있다. 그러나 μLED 소자의 Mesa 구조 형성 시 사용되는 반응성 이온 식각 (RIE) 과정에서 Multi Quantum Well (MQW) 측벽에 물리적, 화학적 손상이 불가피하게 발생한다. 이러한 손상은 비방사 재결합을 증가시켜 소자의 발광 특성을 심각하게 저하시키는 주요 원인이다. 기존 후처리 방식인 TMAH, KOH 등의 습식 식각은 정밀도에 한계가 있어, 손상을 근본적으로 제거하기 위한 정밀 식각 기술 연구가 절실하다. 본 연구는 GaN 기반 Micro-Light Emitting Diodes (μLEDs)의 발광 특성을 향상시키기 위해 MQW의 측벽 손상(Sidewall Damage)을 선택적으로 제거하는 ALE(Atomic Layer Etching) 공정의 적용을 시도하였다. ALE 공정은 흡착과 탈착 단계를 분리하고 주기적으로 반복하여 단원자층 수준에서 식각을 제어하는 Self-limiting 특성을 가진다. 따라서 Cl2/Ar 기반 ALE 식각 공정은 기존 공정에 비해 결정 손상이 적고 식각 균일성이 뛰어나다는 장점을 가진다. 실험은 MOCVD 방식으로 성장된 c-plane GaN 블랭크 웨이퍼와, 1.2×1.2㎛ 크기의 패터닝된 μLED 소자를 대상으로 진행되었다. 먼저 블랭크 웨이퍼에서 최적의 ALE 조건을 확립한 후, RIE 공정에 의해 MQW 측벽에 손상층이 형성된 Micro-LED 샘플에 대해 ALE 공정을 적용하고 PL 측정을 통해 발광 특성 개선 효과를 정량적으로 분석하였다. 최적화된 ALE 공정은 RIE 손상으로 저하된 소자의 PL 강도를 효과적으로 회복시켰다. ALE 처리 후 PL 강도는 TMAH 습식 식각 처리 대비 13% 개선 효과를 보여 우수한 발광 특성 회복을 가능하게 했음을 증명한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Display industry has been increasing demand for high resolution and pixel density, particularly driven by emerging applications in augmented reality (AR) and virtual reality (VR). Micro Light-Emitting Diodes (μLEDs) which have high luminance, low power consumption, and long operational lifetime, have emerged as a promising next-generation display technology. However, during the Mesa structure formation of μLEDs using Reactive Ion Etching (RIE), inevitable physical and chemical damage occurs at the Multi Quantum Well (MQW) sidewalls. This damage increases non-radiative recombination, severely degrading the devices’ light emission characteristics. Conventional wet etching (TMAH or KOH) lacks the necessary precision, requiring advanced, high-precision techniques. This study investigates the applicability of Atomic Layer Etching (ALE) to enhance the photoluminescence (PL) performance of GaN-based μLEDs by selectively removing MQW sidewall damage. The Cl2/Ar ALE process separates adsorption and desorption steps and repeats them cyclically, providing self-limiting, monolayer-scale etch control with reduced lattice damage and improved uniformity compared with conventional etching. Experiments were performed on MOCVD-grown c-plane GaN blank wafers and on patterned μLEDs devices with a 1.2μm×1.2μm size. Optimized ALE conditions were established on blank wafers and subsequently applied to μLED devices with RIE-induced MQW sidewall damage. Photoluminescence (PL) measurements were used to quantify the recovery in optical performance. The optimized ALE process effectively recovered the PL intensity degraded by RIE. This result, which is 13% higher than the TMAH treatment, confirms ALE as a precise method for resolving MQW damage in GaN μLEDs.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Sidewall Damage Issues and Conventional Solutions 4
• 제2장 이론적 배경 7
• 2.1 Plasma Etching Process 7
• 2.1.1 Principles of Plasma Generation 7
• 2.1.2 Plasma Dry Etching Mechanism 9
• 2.1.3 Inductively Coupled Plasma (ICP) 12
• 2.1.4 Atomic Layer Etching (ALE) Mechanism 14
• 2.2 Properties of GaN for Micro-LED Devices 18
• 2.3 InGaN/GaN Multi Quantum Well (MQW) Structures 21
• 2.4 Analytical Tools 22
• 2.4.1 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 22
• 2.4.2 Surface Profilometer 25
• 2.4.3 Scanning Electron Microscope (SEM) 26
• 2.4.4 Photoluminescence (PL) Spectroscopy 27
• 2.4.5 Ion Energy Analyzer 28
• 제3장 실험 29
• 3.1 Inductively Coupled Plasma (ICP) Etching System 29
• 3.2 Experimental Conditions 32
• 제4장 실험 결과 및 고찰 35
• 4.1 GaN 및 InGaN 박막 Wafer의 원자층 식각(ALE) 특성 35
• 4.1.1 Ar+ 이온 스퍼터링 임계 에너지 (Threshold Energy) 35
• 4.1.2 Cl2 플라즈마에 의한 GaN 및 InGaN 표면 흡착 특성 38
• 4.1.3 Ar+ 이온 스퍼터링에 의한 GaN 및 InGaN 표면 탈착 특성 40
• 4.1.4 흡착 및 탈착 시간에 따른 Etch Per Cycle (EPC) 포화 특성 43
• 4.1.5 Vdc에 따른 GaN 및 InGaN의 ALE Window 및 Synergy 특성 44
• 4.2 GaN 기반 Micro-LED 원자층 식각 후 PL 특성 46
• 제5장 결론 48
• 참고문헌 49
• Abstract 54