RF 스퍼터링 Ag 반사층을 적용한 질화갈륨계 마이크로 발광다이오드 어레이의 광 추출 효율 향상 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 보다 넓은 밴드 갭과 낮은 굴절률을 가진 Gallium Nitride (GaN) multiple quantum wells (MQWs) 청색 light-emitting diode (LED)의 flip-chip type μ-LED array에 적용하여 광 추출 효율을 크게 향상시켰다. 고출력의 flip-chip type LED를 구현하기 위해서 p-type GaN 상에 높은 반사율을 갖는 Ag 물질의 reflective electrode를 개발하는 것이 필수적이다. 일반적으로 Ag 박막을 증착하는 방법에는 e-beam evaporation, thermal evaporation, sputtering 등이 있다. 이 중 sputtering 법은 다른 증착 방법에 비해 Ag sputtering 과정에서 높은 증착율과 박막의 균일도, 두께 조절 및 재현성을 가지는 장점이 있어 sputtering 법을 채택하여 Ag reflective electrode를 형성하였다. 그러나, sputtering 시 p-type GaN에 가해지는 plasma-induced damage로 인하여 ohmic contact 특성을 저하시키는 요인이 된다. 따라서, 본 연구에서는 sputtering 시 생성되는 plasma의 중심부에는 high density electron flux가 많기 때문에 plasma-core-cutoff plate (PCCP)를 적용하여 p-type GaN에 damage를 주는 electron flux를 최소화시키는 방법을 제안하였다. 먼저, 단위 공정에서 PCCP를 적용한 target-substrate (T-S) 18 cm에서 22 cm 거리를 변화하여 그 결과 T-S 22 cm 거리에서 가장 우수한 ohmic contact 특성을 보였다. 다음 실험으로, PCCP insert time 변화에 따른 전기적 특성을 파악하기 위해 단위 공정에서 T-S 22 cm 거리를 고정해 둔 상태에서 PCCP를 적용한 PCCP insert time 10 sec에서 600 sec 변화에 따른 전기적 특성을 연구하였다. 그 결과, PCCP insert time 10 sec에서 p-type GaN/Ag p-type reflective electrode 계면 사이의 plasma-induced damage로 인하여 높은 contact resistivity 값을 가지게 되고 이 후, PCCP insert time이 증가할수록 contact resistivity가 현저히 감소하다가 PCCP insert time 180 sec부터 saturation되는 경향을 보였다. 마지막으로, PCCP insert time이 증가할수록 p-type GaN/Ag p-type reflective electrode의 박막에 대한 표면 구조를 좀 더 구체적으로 파악하기 위해 PCCP를 적용한 RF sputtering에 따른 1st reflective p-type electrode의 구조적, 표면 분석 및 결정 방향 분석을 연구하였다. 그 결과, PCCP insert time 10 sec의 Ag particle은 나노 크기의 island 형태로 핵을 생성하여 점차 시간이 지날수록 Ag particle 두께가 15 nm 이상으로 island 형태의 핵들이 연결하기 시작하여 지속적으로 발생하는 핵 생성과 island 주변의 성장하여 점차 메꿔지게 되면서 빈 공간인 channel이 사라지면서 전체적으로 연결된 박막 형태를 확인할 수 있었다. 이 모든 과정을 통해 단위 공정 결과에서 PCCP 적용 조건에 따라 plasma-induced damage를 최소화시킬 수 있는 것으로 확인되었으며, 이러한 결과를 통해 p-type GaN 상부에 PCCP를 이용하여 Ag p-type reflective electrode를 적용한 1024개 픽셀의 flip-chip type μ-LED array를 제작하여 광 추출 효율을 향상시켰다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 이론적 배경 3
• 2.1 LED 기본 동작 원리 3
• 2.2 LED 구조와 종류 8
• 2.3 LED 전기적 및 광학적 특성 14
• 제 3 장 실험 방법 및 결과 28
• 3.1 Target-Substrate (T-S) 거리 변화에 따른 전기적 특성 연구 28
• 3.2 PCCP insert time 변화에 변화에 따른 전기적 전기적 특성 연구 33
• 3.3 PCCP를 이용한 이용한 RF sputtering에 따른 1st reflective p-type electrode의 구조적 구조적 분석 연구 37
• 3.4 PCCP를 이용 하여 Ag reflective p-type electrode를 적용한 적용한 μ-LED array 제작 방법 및 결과 42
• 제 4 장 결 론 56
• 참고 문헌 58
• 감사의 글 61