(A) comparative study on the influences of dislocation densities and strain on the characteristics of GaN-based LEDs grown on Si and sapphire substrates

국문 초록 (Abstract)

지난 수십년간 질화물 기반의 청색 발광소자는 조명 시장에서 기존의 형광램프를 대체할 만큼 빠르게 도약적인 진보를 하여 왔다. 특히 신뢰성과 밝기 측면에서 기존의 형광 램프보다 우수한 특성을 보였기 때문이다. 하지만, 기존의 형광 램프 대비 비싼 가격의 문제로 인하여 아직까지 일반적인 조명 시장의 침투가 매우 어려운 상황이다. 이를 해결하기 위하여 최근 이슈가 되고 있는 방안 중 하나는 실리콘 기판 기반의 발광소자 제작 기술 개발이다. 이는 우선적으로 기존 사파이어 기판 대신 실리콘기판을 이용한 단결정 (에피) 성장이 가능해야 하며, 그 특성 또한 사파이어 기판에서 제작된 발광소자 수준으로 도달하여야 생산이 가능하여 원가를 낮출 수 있다. 실리콘기판은 잘 알려진 대로 저가격과 대구경 기반 공정의 이점이 있어 발광소자의 원가 절감으로 상당한 이점이 있는 기판이다. 또한 지금까지의 반도체 기술의 향상으로 현재 상당히 진보되어 있는 대구경 실리콘 기반의 반도체 공정을 활용하면 양산 관점에서도 빠른 진보가 가능할 수 있을 것이라 생각한다.
하지만, GaN와 실리콘기판의 격자상수와 열팽창계수의 차이가 다른 종류의 GaN 성장 기판 대비 매우 크기 때문에 일반적으로 109 to 1010 cm-2 수준의 전위밀도가 발생하며, 이것은 발광소자의 성능을 저해하는 주 원인이 된다. 그렇기 때문에 실리콘기판상의 성장된 GaN 박막 내 전위밀도를 줄이는 노력이 전세계적으로 지금까지 많이 진행되어 왔다. 최근에는 실리콘기판상의 성장된 GaN 기반 발광소자의 응력 조절 기술과 전위 밀도를 줄이는 기술이 상당히 진보하였다. 그리하여 6인치, 8인치 실리콘 기판 기반의 발광소자 특성은 현재 양산에 적용되고 있는 사파이어기판 기반의 발광소자의 특성과 견줄만한 수준으로 진보하게 되었다.
하지만, 이러한 빠른 진보에도 불구하고, 기존의 사파이어 기판 기반의 양산 라인의 발전, 특히 6인치 기반의 레이저 리프트 오프 공정의 반복성 증가로 사파이어 기반의 발광 소자의 가격 하락과 중국의 발광 소자 사업의 대대적인 투자로 실리콘 기판 기반의 발광 소자와 사파이어 기판 기반의 발광 소자의 가격 격차가 많이 줄어들었고, 또한 기존 모든 생산 라인이 사파이어 기반으로 이미 갖추어져 있기 때문에, 실리콘기판상의 성장된 발광소자 특성이 기존 상용화된 사파이어 기판상 성장된 발광소자의 특성과 견줄 수 있을 만큼의 특성을 가져야만 미래 실리콘 기판이 사파이어 기판을 대체할 수 있는 기술이 될 수 있게 되었다. 그렇기 때문에 최근 많은 기관과 회사들이 실리콘 기반의 GaN계 발광소자와 사파이어 기반의 GaN계 발광소자의 특성 차이에 대하여 많은 관심을 가지고 되었고, 이는 발광 소자 업계의 매우 중요한 이슈가 되었다.
그리고 지금까지 실리콘 기판 상의 성장된 GaN 기반 발광소자의 각기 다른 물리적인 요소에 대한 체계적이고 명확한 특성에 대한 연구는 아직까지 진행되지 않았다. 이 연구에서 우리는 실리콘기판상의 성장된 발광소자의 전위밀도, 변형률, 피에조 전계장, 효율 드룹, 단결정 발광소자 에피구조 등에 관련된 특성을 기존 상용화된 사파이어 기판상 성장된 발광소자와 체계적으로 비교하였다. 왜냐하면 실리콘 기판 상의 GaN계 발광소자 만의 단독적인 개발 요소 및 기술이 아닌 기존 상용화된 사파이어 기반의 GaN계 발광소자와의 비교 연구는 매우 중요한 발광 소자 업계의 큰 관심사이기 때문이다.
실리콘기판상의 성장된 발광소자와 사파이어 기판상 성장된 발광소자의 특성을 정확하기 비교하기 위하여 우선시 되어야 할 요소는 실리콘 기판상 성장된 GaN 박막의 결정성을 사파이어 기판상 성장된 GaN 박막 수준으로 개선시켜야만 한다. 왜냐하면 전위 밀도 차이에 의한 응력 해소의 차이에 대한 변수가 없어야만, 특성에서의 동등한 비교가 가능하기 때문이다. 우리는 실리콘 기판상의 성장된 GaN 박막의 결정성을 개선시키는 과정에서 전위 밀도와 내부양자효율과의 관계를 여러가지 물리적인 분석법을 통하여 연구하였다. 분석을 통하여, 실리콘 기판상의 성장된 GaN 박막의 전위 밀도를 줄이는 것이 발광소자의 가장 중요한 특성요소 중 하나인 광출력 향상에 있어서 가장 주된 요인임을 알아내었으며, 또한 실리콘기판 기반의 발광소자의 결정성이 사파이어 기판 기반의 발광소자와 비슷한 수준으로 도달할 때 실리콘 기판 기반 발광소자의 광출력이 기존 상용화된 사파이어 기판 기반의 발광소자와 대등한 수준이 될 수 있음을 실험적으로 확인하였다.
다음으로 우리는 실리콘기판상의 성장된 발광소자의 변형률 특성과 내부,외부 양자 효율을 기존 사파이어 기판 기반의 발광소자와 비교하였다. 변형률 특성은 라만 분석과 고배율 투과 전자현미경분석을 통하여 실시되었다. 이 분석을 통하여 실리콘기판상 성장된 GaN는 인장 변형을 받으며, 사파이어 기판상 성장된 GaN은 압축 변형을 받는 것을 확인하였으며, 실리콘 기판상 성장된 발광소자의 단결정층(에피층) 내 빛 발광의 중심 역할을 하는 층인 양자 우물층이 사파이어 기판상의 성장된 양자 우물층과 비교하여 격자 변형이 적음을 확인할 수 있었다. 우리는 또한 변조 전계 반사율 분석법을 통하여 실리콘과 사파이어 기판상 성장된 각기 다른 두 가지 발광소자의 다중양자우물 구조 내 격자 변형 차이에 의한 피에조 전기장 세기 차이를 비교, 연구하였다. 변조 전계 반사율 분석법을 통하여 실리콘 기판상 성장된 발광소자의 격자 변형으로 야기된 피에조 전기장 세기가 사파이어 기판상 성장된 발광소자보다 획기적으로 적음을 실험적으로 확인하였고, 이는 앞서 분석하였던 라만 결과, 그리고 고배율 투과 전자현미경 결과와 일치하는 것을 알 수 있었다. 또한 이 두 가지 기판상에 단결정 성장, 그리고 소자 공정을 통하여 제작된 발광소자의 내부와 외부 양자효율을 비교하였고, 실리콘 기판상의 성장된 발광소자가 사파이어 기판상의 성장된 발광소자와 비교하여 효율 드룹 특성에서 유리함을 확인하였다. 또한 내부 양자 효율 또한 실리콘 기판상 성장된 발광소자가 더 우수함을 확인하였고, 그 원인 또한 양자 우물층의 격자 변형 정도가 적음에 따른 밴드 휘어짐이 감소하여 전자와 홀의 재결합이 더 용이하게 일어나는 것으로 분석되었다. 실리콘기판상 성장된 발광소자의 내부 양자 효율과 효율 드룹 특성이 사파이어 기판상 성장된 발광소자와 비교하여 개선된 원인을 다시 정리하면, 실리콘 기판상 성장된 발광소자 내 양자 우물층의 격자 변형이 사파이어 기판상 성장된 양자 우물층의 격자 변형에 비하여 적기 때문이라는 최종적인 결론을 얻을 수 있었다.
마지막으로 우리는 두 기판 상의 성장된 각기 다른 발광소자의 내부 분극장 세기를 비교하였고, 빛을 발광하는 중심층인 다중 양자 우물층 구조의 최적화에 대한 연구를 시뮬레이션을 통하여 먼저 예측하고, 예측된 실험을 통하여 체계적으로 진행하였다. 내부 분극장 세기는 변조 전계 반사율 분석법으로 측정하였고, 그 결과 사파이어 기판상 성장된 발광소자의 내부 분극장 세기가 실리콘 기판상 성장된 발광소자의 내부 분극장 세기보다 약 50%이상 큼을 확인하였다. 그리고, 두 기판상에서 발광소자 내 다중 양자 우물층의 반복개수를 여러가지로 변화시키면서 단결정 (에피)성장을 한 후, 소자 제작 공정을 거친 뒤 전류 주입 발광 측정을 하여, 각기 다른 두 기판상의 성장된 발광소자에서 가장 밝기가 센 경우의 다중 양자 우물층의 개수를 비교하였다. 사파이어 기판상 성장된 발광소자는 다중 양자 우물층의 개수가 5개일 때 가장 밝게 빛났으며, 실리콘기판상 성장된 발광소자는 그 개수가 7개일 경우가 가장 밝게 빛나는 특성을 보였다. 가장 밝기가 센 경우의 다중 양자 우물층의 개수가 두 가지 기판상의 성장된 발광소자에서 다르게 나타난 원인은 두 기판상 성장된 발광소자 내 다중 양자 우물층의 격자변형의 정도가 다르기 때문이다. 실리콘 기판상 성장된 발광소자 내 다중 양자 우물층의 격자 변형의 정도가 사파이어 기판상 성장된 다중 양자 우물층의 격자 변형의 정도보다 적기 때문에, 실리콘 기판상의 성장된 다중 양자 우물층의 캐리어 분포가 사파이어 기판상의 성장된 다중 양자 우물층의 캐리어 분포보다 균일하게 되어 더 많은 양자 우물층에서 균일한 전자와 정공의 재결합이 이루어질 수 있기 때문이다.
결과적으로 실리콘 기판상 성장된 발광소자는 사파이어 기판상 성장된 발광소자 대비 격자 변형 차이에 따른 피에조 전기장 세기가 적다는 매우 큰 장점을 가지고 있기 때문에, 실리콘기판상의 성장된 발광소자의 내부 분극장 세기에 최적화되고, 사파이어 기반의 발광소자와는 차별화된 단결정(에피) 발광소자의 구조가 개발된다면, 가까운 미래에 실리콘 기판상 성장된 GaN 기반의 발광소자 제작 기술은 고출력, 고효율 조명시장에서 저가격으로 높은 효율을 낼 수 있는 강력한 기술로서 그 자리를 차지할 수 있을 것이라 생각한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

During the last decade, blue light-emitting diodes (LEDs) based on GaN/InGaN materials have made significant technical progress in luminous efficiency to the level that they are beginning to replace incandescent and fluorescent lamps, and thus changing the landscape of the lighting industry. However, the high cost of current LED light sources is hindering their market penetration rate into general lighting market. One prominent way of lowering the production cost of LEDs is to utilize Si-based technologies. Si has been considered as an attractive substrate material because of its low cost and the availability of large-sized wafers. However, large mismatch in the lattice constant and the thermal expansion coefficient between GaN and Si results in the generation of a high density of threading dislocation (TD), in the order of 109to 1010 cm-2, which limits the light-emitting efficiency of the LEDs. Thus, a number of approaches for controlling wafer bow and reducing TDs in GaN layers on the Si substrate have been reported.
Recently, a device performance of GaN film on 6”/8” Si(111) substrates, of which the crystal quality is comparable to conventional GaN layers on sapphire substrates, have been successfully demonstrated by optimizing the stress compensation and the dislocation reduction layers. However, LED manufacturers who are already prepared with sapphire substrate-based production systems are better off, in that the price competitiveness of Si substrate has greatly decreased, and that the LED performance of the Si substrate should be similar to or better than the performance of conventional sapphire substrate LED in order to determine whether to invest or not. This is why it is very important to understand the differences in the physical properties between the LEDs grown on Si and sapphire substrates, and to systematically comprehend how the two can differ in the aspect of device performance. Thus, the present study focused on discovering the differences in the physical properties, LED characteristics, and performance between the LEDs grown on two different substrate types. In a word, in terms of device performance, it is very important that the characteristics related to physical factors of GaN–based LEDs grown on Si substrate as compared with LEDs grown on sapphire substrate systemically and definitely are turned out.
In this thesis, we investigate the characteristics of GaN-Based light-emission diodes grown on a Si substrate with regard to threading dislocation densities, strain states, piezoelectric field, efficiency droop, and epitaxial structures compared with conventional GaN-based LEDs grown on a sapphire substrate.
To analyze the comparison between LEDs grown on Si substrates and LEDs grown on sapphire substrates, it is preferred that the crystal quality of GaN grown on a Si substrate is similar to that of GaN grown on a sapphire substrate. In the process of enhancing the crystal quality of LEDs on a Si substrate to the level of LEDs on a sapphire substrate, we analyzed the relationship between threading dislocations and the internal quantum efficiency of GaN-based LEDs through various analyses, and demonstrated that reducing the density of the threading dislocations is a key parameter in improving the output power of LEDs on Si substrates.
Next, we analyzed the relationship between the strain states and the external quantum efficiency (EQE) of GaN-based blue light-emitting diode (LED) structures grown on Si(111) and sapphire substrates. These analyses reveal that the GaN layer grown on Si has a residual tensile strain in contrast to a compressive strain for the GaN layer on sapphire, and quantum wells (QWs) of GaN on Si has less lattice mismatch than those of GaN on sapphire. We also compared the strength of piezo-electric fields in MQWs grown on two substrates measured by using the reverse-bias electro-reflectance (ER) spectroscopy. And When the external quantum efficiency of LED structures on sapphire and Si is compared, the LED structure grown on the Si substrate shows greatly reduced efficiency droop and improved internal quantum efficiency compared with that grown on the sapphire substrate.
Finally, we simulated and experimentally investigated the internal polarization field and the optimum number of quantum wells (QWs) in InGaN/GaN-based blue light-emitting diodes (LEDs) grown on sapphire and Si substrates. When the electroluminescent (EL) characteristics of LED samples with different number of QWs are measured, the optimum number of QWs that results in the highest EL intensity is found to be five for LEDs on sapphire and seven for LEDs on Si.
Consequently, because LEDs grown on Si substrates have the great advantage of a small piezoelectric field caused by the difference of strain compared with conventional blue LEDs grown on sapphire substrates, blue LEDs grown on Si substrates are expected to be advantageously used in future high-power and high-efficiency lighting applications through the optimization of their epitaxial structure and the additional enhancement of crystal quality.