LED의 작동 원리를 살펴보면 에피택셜 웨이퍼 소재가 LED의 핵심 구성 요소라는 것을 알 수 있습니다. 실제로 파장, 밝기, 순방향 전압과 같은 주요 광전자 파라미터는 에피택셜 소재에 의해 크게 좌우됩니다. 에피택셜 웨이퍼 기술과 장비는 제조 공정에 매우 중요하며, 금속유기화학기상증착(MOCVD)은 III-V, II-VI 화합물 및 이들의 합금으로 이루어진 얇은 단결정층을 성장시키는 주요 방법입니다. 아래는 LED 에피택셜 웨이퍼 기술의 미래 동향입니다.
1. 2단계 성장 프로세스 개선
현재 상용 생산에서는 2단계 성장 공정을 사용하지만, 한 번에 처리할 수 있는 기판의 수가 제한적입니다. 6웨이퍼 시스템은 이미 성숙 단계에 접어들었지만, 약 20개의 웨이퍼를 처리할 수 있는 장비는 여전히 개발 중입니다. 웨이퍼 수를 늘리면 에피택셜 층의 균일성이 떨어지는 경우가 많습니다. 향후 개발은 다음 두 가지 방향에 집중될 것입니다.
- 단일 반응 챔버에 더 많은 기질을 투입할 수 있는 기술을 개발하여 대규모 생산에 더욱 적합하게 만들고 비용을 절감합니다.
- 고도로 자동화되고 반복 가능한 단일 웨이퍼 장비를 발전시키고 있습니다.
2. 수소화물 기상 에피택시(HVPE) 기술
이 기술은 낮은 전위 밀도를 가진 두꺼운 박막을 빠르게 성장시킬 수 있게 해주며, 이러한 박막은 다른 방법을 이용한 동종 에피택시 성장의 기판으로 사용될 수 있습니다. 또한, 기판에서 분리된 GaN 박막은 벌크 GaN 단결정 칩을 대체할 수 있는 가능성을 제시합니다. 그러나 HVPE는 정밀한 두께 제어의 어려움과 부식성 반응 가스로 인해 GaN 소재 순도 향상이 저해되는 등의 단점을 가지고 있습니다.
Si 도핑된 HVPE-GaN
(a) Si 도핑된 HVPE-GaN 반응기의 구조; (b) 800 μm 두께의 Si 도핑된 HVPE-GaN 이미지;
(c) Si 도핑된 HVPE-GaN의 직경을 따라 분포된 자유 전하 캐리어 농도
3. 선택적 에피택셜 성장 또는 측면 에피택셜 성장 기술
이 기술은 전위 밀도를 더욱 감소시키고 GaN 에피택셜 층의 결정 품질을 향상시킬 수 있습니다. 이 공정은 다음과 같은 단계를 포함합니다.
- 적절한 기판(사파이어 또는 SiC) 위에 GaN 층을 증착합니다.
- 그 위에 다결정 SiO₂ 마스크 층을 증착합니다.
- 광식각 및 에칭 기술을 이용하여 GaN 윈도우와 SiO₂ 마스크 스트립을 제작합니다.이후 성장 과정에서 GaN은 먼저 창 부분에서 수직으로 성장한 다음 SiO₂ 스트립 위로 수평으로 성장합니다.
XKH의 GaN-on-Sapphire 웨이퍼
4. 펜데오-에피택시 기술
이 방법은 기판과 에피택셜 층 사이의 격자 및 열 불일치로 인한 격자 결함을 크게 줄여 GaN 결정 품질을 더욱 향상시킵니다. 단계는 다음과 같습니다.
- 2단계 공정을 이용하여 적절한 기판(6H-SiC 또는 Si) 위에 GaN 에피택셜 층을 성장시키는 방법.
- 에피택셜 층을 기판까지 선택적으로 에칭하여 기둥(GaN/버퍼/기판)과 트렌치가 교대로 나타나는 구조를 형성합니다.
- 트렌치 위에 매달린 기존 GaN 기둥의 측벽에서 측면으로 확장되는 추가 GaN 층을 성장시킨다.마스크를 사용하지 않으므로 GaN과 마스크 재료 간의 접촉이 방지됩니다.
XKH의 GaN-on-Silicon 웨이퍼
5. 단파장 UV LED 에피택셜 소재 개발
이는 자외선 여기형 형광체 기반 백색 LED의 견고한 토대를 마련합니다. 많은 고효율 형광체는 자외선으로 여기될 수 있으며, 현재의 YAG:Ce 시스템보다 높은 발광 효율을 제공하여 백색 LED 성능을 향상시킬 수 있습니다.
6. 다중 양자 우물(MQW) 칩 기술
MQW 구조에서는 발광층 성장 과정에서 다양한 불순물을 도핑하여 다양한 양자 우물을 형성합니다. 이러한 양자 우물에서 방출된 광자의 재결합을 통해 백색광이 직접 생성됩니다. 이 방법은 발광 효율을 향상시키고 비용을 절감하며 패키징 및 회로 제어를 간소화하지만, 기술적 난이도가 더 높습니다.
7. “포톤 재활용” 기술 개발
1999년 1월, 일본의 스미토모는 ZnSe 소재를 이용한 백색 LED를 개발했습니다. 이 기술은 ZnSe 단결정 기판 위에 CdZnSe 박막을 성장시키는 것을 기반으로 합니다. 박막에 전류를 흘려주면 청색광이 방출되고, 이 빛이 ZnSe 기판과 상호작용하여 보색인 황색광을 생성함으로써 백색광이 만들어집니다. 이와 유사하게, 보스턴 대학교 광자학 연구센터는 청색 GaN-LED 위에 AlInGaP 반도체 화합물을 적층하여 백색광을 구현했습니다.
8. LED 에피택셜 웨이퍼 공정 흐름도
① 에피택셜 웨이퍼 제작:
기판 → 구조 설계 → 버퍼층 성장 → N형 GaN층 성장 → MQW 발광층 성장 → P형 GaN층 성장 → 어닐링 → 테스트(광발광, X선) → 에피택셜 웨이퍼
② 칩 제작:
에피택셜 웨이퍼 → 마스크 설계 및 제작 → 포토리소그래피 → 이온 에칭 → N형 전극(증착, 어닐링, 에칭) → P형 전극(증착, 어닐링, 에칭) → 다이싱 → 칩 검사 및 등급 분류.
ZMSH의 GaN-on-SiC 웨이퍼
게시 시간: 2025년 7월 25일