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 결정됩니다. 에피택셜 웨이퍼 기술과 장비는 제조 공정에 매우 중요하며, 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD)은 III-V, II-VI 화합물 및 그 합금의 얇은 단결정층을 성장시키는 주요 방법입니다. 아래는 LED 에피택셜 웨이퍼 기술의 미래 동향입니다.
1. 2단계 성장 프로세스 개선
현재 상업 생산에는 2단계 성장 공정이 사용되지만, 한 번에 적재할 수 있는 기판의 수는 제한적입니다. 6웨이퍼 시스템은 이미 성숙 단계에 있지만, 약 20장의 웨이퍼를 처리하는 장비는 아직 개발 중입니다. 웨이퍼 수를 늘리면 에피택셜층의 균일도가 떨어지는 경우가 많습니다. 향후 개발 방향은 다음 두 가지에 집중될 것입니다.
- 단일 반응 챔버에 더 많은 기판을 장착할 수 있는 기술을 개발하여 대량 생산과 비용 절감에 더욱 적합하게 만들었습니다.
- 고도로 자동화되고 반복 가능한 단일 웨이퍼 장비를 개발합니다.
2. 수소화물 기상 에피택시(HVPE) 기술
이 기술은 전위 밀도가 낮은 두꺼운 박막의 빠른 성장을 가능하게 하며, 이는 다른 방법을 이용한 호모에피택셜 성장의 기판으로 활용될 수 있습니다. 또한, 기판에서 분리된 GaN 박막은 벌크 GaN 단결정 칩의 대안이 될 수 있습니다. 그러나 HVPE는 정밀한 두께 제어의 어려움과 GaN 재료 순도의 추가적인 향상을 저해하는 부식성 반응 가스와 같은 단점을 가지고 있습니다.
Si 도핑 HVPE-GaN
(a) Si 도핑 HVPE-GaN 반응기의 구조; (b) 두께 800μm Si 도핑 HVPE-GaN의 이미지;
(c) Si-doped HVPE-GaN 직경을 따라 자유 캐리어 농도 분포
3. 선택적 에피택셜 성장 또는 측면 에피택셜 성장 기술
이 기술은 GaN 에피택셜층의 전위 밀도를 더욱 감소시키고 결정 품질을 향상시킬 수 있습니다. 이 공정에는 다음이 포함됩니다.
- 적합한 기판(사파이어 또는 SiC)에 GaN 층을 증착합니다.
- 상단에 다결정 SiO₂ 마스크 층을 증착합니다.
- 광석판술과 에칭을 사용하여 GaN 창과 SiO₂ 마스크 스트립을 만듭니다.이후 성장 과정에서 GaN은 먼저 창문에서 수직으로 성장하고, 그다음 SiO₂ 스트립 위로 측면으로 성장합니다.
XKH의 GaN-on-Sapphire 웨이퍼
4. 펜데오-에피택시 기술
이 방법은 기판과 에피택셜층 사이의 격자 및 열적 불일치로 인한 격자 결함을 크게 줄여 GaN 결정 품질을 더욱 향상시킵니다. 단계는 다음과 같습니다.
- 2단계 공정을 사용하여 적합한 기판(6H-SiC 또는 Si)에 GaN 에피택셜 층을 성장시킵니다.
- 기판까지 에피택셜 층을 선택적으로 에칭하여 교대로 기둥(GaN/버퍼/기판)과 트렌치 구조를 생성합니다.
- 원래 GaN 기둥의 측벽에서 측면으로 확장되는 추가 GaN 층이 트렌치 위에 매달려 있습니다.마스크를 사용하지 않으므로 GaN과 마스크 재료 사이의 접촉이 방지됩니다.
XKH의 GaN-on-Silicon 웨이퍼
5. 단파장 UV LED 에피택셜 소재 개발
이는 UV 여기 형광체 기반 백색 LED의 견고한 기반을 마련합니다. 많은 고효율 형광체는 UV 여기가 가능하여 기존 YAG:Ce 시스템보다 높은 발광 효율을 제공하여 백색 LED 성능을 향상시킵니다.
6. 다중 양자 우물(MQW) 칩 기술
MQW 구조에서는 발광층 성장 과정에서 다양한 불순물을 도핑하여 다양한 양자 우물을 형성합니다. 이러한 우물에서 방출된 광자의 재결합은 직접 백색광을 생성합니다. 이 방법은 발광 효율을 향상시키고 비용을 절감하며 패키징 및 회로 제어를 간소화하지만, 기술적 과제가 더 큽니다.
7. “광자 재활용” 기술 개발
1999년 1월, 일본 스미토모(Sumitomo)는 ZnSe 소재를 이용한 백색 LED를 개발했습니다. 이 기술은 ZnSe 단결정 기판 위에 CdZnSe 박막을 성장시키는 것입니다. 전기가 흐르면 박막은 청색광을 방출하고, 이 청색광은 ZnSe 기판과 상호 작용하여 보색인 황색광을 생성하여 백색광을 생성합니다. 마찬가지로, 보스턴 대학교 포토닉스 연구 센터는 청색 GaN-LED 위에 AlInGaP 반도체 화합물을 적층하여 백색광을 생성했습니다.
8. LED 에피택셜 웨이퍼 공정 흐름
① 에피택셜 웨이퍼 제조:
기판 → 구조 설계 → 버퍼층 성장 → N형 GaN층 성장 → MQW 발광층 성장 → P형 GaN층 성장 → 열처리 → 테스트(광발광, X선) → 에피택셜 웨이퍼
② 칩 제조 :
에피택셜 웨이퍼 → 마스크 설계 및 제작 → 포토리소그래피 → 이온 에칭 → N형 전극(증착, 어닐링, 에칭) → P형 전극(증착, 어닐링, 에칭) → 다이싱 → 칩 검사 및 등급 지정.
ZMSH의 GaN-on-SiC 웨이퍼
게시 시간: 2025년 7월 25일