대만 국립 중앙 대학과 에피스타의 합동 연구원들은 고전압 작동을 위해 세라막 알루미늄 질화물 (AlN) 기판에 인듐 갈륨 질화물 (InGaN) 발광 다이오드 (LED)를 전이시키는 방법을 개발하고 있다 [Meng-Lun Tsai and Kun-Yu Lai, Appl. Phys. Express, vol7, p022103, 2014]. 

이 세라믹 기판은 질화물 반도체 이종구조를 위한 성장 기판으로서 상업적으로 이용되고 있는 사파이어에 비해 더 열적으로 전도성이 크다. 더 큰 열전도성은 LED 성능에 악영향을 끼치는 자기열 효과를 줄일 수 있다. 

고전압 구동은 주입 전류를 줄여 증가하는 전류에서 질화물 반도체 LED를 괴롭히는 효율 드롭을 지체시키도록 연속적으로 16 개의 전기적으로 격리된 서브 소자들을 연결시킴으로써 가능케 한다. 

LED에 대한 에피텍셜 물질은 금속-유기 화학증착법 (MOCVD)으로 c-면 사파이어 상에 성장되었다. 구성되는 층들은 GaN 버퍼, n-GaN 접촉, InGaN/GaN 다중 양자우물, p-AlGaN 전자 차단층, p-GaN 접촉으로 되어 있다. 전계 발광 파장은 청색인 ~450nm였다. 

소자 제작은 p-접촉 층 상에 니켈/은 거울의 증착에서 시작되어 세라믹 AlN 기판에 플립 결합을 위해 타이타늄/알루미늄/인듐/금/티타늄을 증착한다. 마루와사에서 만들어진 기판의 열전도성은 230W/m-K였다. 사파이어는 레이저 리프트-오프를 이용하여 질화물 층에서 분리되었다. 

HV-세라믹 LED는 4×4 전지 배열을 만들기 위해 이 세라믹까지 식각하여 메사를 형성했다. n-GaN 표면은 칼륨 수산화물 습식 시각으로 거칠게 되었다. 거칠기의 목적은 공기와의 큰 굴절률 대비로 n-GaN 표면에서 내부 전반사를 줄여 광 추출을 향상시키려는 것이다. 전지들의 측면벽들은 알루미늄 산화물로 패시베이트되었다. 전지들은 크롬/금 금속화로 만들어진 브리지와 접촉들의 연속으로 직렬로 연결되었다. 

비슷한 소자들은 실리콘 기판들로 이동되어 제조되었다. 그러나 직렬 연결에서는 기판이 전도성이 있어 어렵다. 이에 따라, 소자는 저전압 LED (LV-Si)로 4x4 배열보다 큰 전지로 구성되었다. 

또한, HV-사파이어 소자들은 사파이어 기판 상에 플립되지 않은 4×4 배열로 제조되었다. 인듐 주석 산화물 (ITO)은 p-GaN 상에 투명 전도층으로 사용되고 HV LED에 대한 크롬/금 금속 브리지와 접촉을 만들고 알루미늄 산화물 측벽 패시베이션이 계속적으로 실시되었다. 알루미늄 기반 거울은 광추출을 개선하기 위한 시도로 사파이어 기판의 후면에 만들어졌다. 이 거울은 청색 영역의 스펙트럼에서 99% 반사율을 가지도록 디자인되었다. 

모든 소자들은 45mil x 45mil (1.14mm x 1.14mm)로 측정되었다. 76A/cm2 주입 전류밀도로 HV-세라믹 소자는 훨씬 더 나은 전류 확산을 가졌다. 플립된 HV-세라믹 LED는 p-GaN에 n-GaN 윈도우 층의 더 낮은 시트 저항을 가졌다. LV-Si LED는 넓은 면적에 걸쳐 전류 확산의 어려움을 가졌다. 연구원들은 HV-사파이어 LED의 p-GaN 윈도우에 경우 40Ω/스쿼어에 비해 15Ω/스쿼어에서 n-GaN 윈도우층의 시트 저항을 계산했다. 

HV-세라믹 LED의 구동 전압은 HV-사파이어 소자에 비해 더 높았다. 이는 완성도 높은 ITO/p-GaN 공정에 비해 최적화되지 않은 니켈/은/p-GaN 거울 접촉에 의한 것이다. 연구원들은 개별 접촉저항을 8mΩ-cm2 와 5mΩ-cm2로 계산했다. 

Ni/Ag 합금의 준비는 여전히 개발 중이어서 HV-세라믹 소자의 구동 전압은 일단 제작 파라미터들이 더 최적화되면 줄어들 것으로 기대되고 있다. 

광출력은 회로 보드에 인쇄된 금속 코어를 이용하여 패키지된 LED로 적분구에서 측정되었다. 이 측정는 포화에 도달할 때 멈춘다. HV-세라믹 소자는 450A/cm2 전에 포화되지 않는다. 450A/cm2의 고구동 전류 밀도는 지금까지 거의 보고되지 않았다. 

HV-사파이어와 LV-Si의 포화의 경우, 기판의 나쁜 열전도성에 의한 자기열이 주원인이다. 여기서 사파이어는 36W/m-K, 실리콘은 150W/m-K, AlN은 230W/m-K였다. 소자가 가열됨에 따라, 높은 온도는 결함들을 활성화시키고 열속도를 증가시킨다. 두 요소들 모두 효율을 감소시키는 비방사 재결합을 증가시킨다. 

210A/cm2에서 월-플러그 효율 (WPE)는 HV-사파이어, LV-Si, HV-세라믹이 각각 70%, 68%, 57%로 피크 값을 가진다. HV-사파이어의 WPE는 우수한 ITO/p-GaN 접촉이 이용되어 낮은 턴-온 전압으로 저전류에서 다른 소자들보다 약간 더 높다. 

HV-세라믹 소자의 방출 파장은 다른 소자들에 비해 더 안정된다. 모든 LED들은 구조 내 분극 의존 전기장의 양자 구속 스타크 효과의 증가된 전류/전하 밀도 스크리닝으로 저주입에서 약 1.5nm가 청색 이동되었다. 높은 전류에서, 자기열은 적색 이동되도록 밴드갭이 좁아진다. 

55A/cm2 와 215A/cm2사이에서 HV-사파이어, LV-Si, HV-세라믹의 개별 적색 이동은 4.0nm, 1.5nm, 0.5nm였다. HV-세라믹의 경우, 450A/cm2 에서 적색 이동은 4nm이하였다. 

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』