실리콘 산화물 기둥 및 공기 구멍에 의해 증가된 ...

실리콘 산화물 기둥 및 공기 구멍에 의해 증가된 질화물 광 방출   타이완 Cheng Kung 대학의 연구자들은 실리콘 산화물(SiO2) 기둥(pillar) 구조와 공기 구멍(gap)들을 질화물 발광소자(LED)의 광방출 효율을 증가시키는 방법으로 선보였다. [Wei-Chih Lai et al, Appl. Phys. Lett., vol97, p081103, 2010]. 다수의 기술들은 레이저 리프트 오프(lift-off), 사파이어 기판 제거, 또는 소자외부로 투명도를 증가시키기 위해 그리고 소자내부로 돌아오는 내부 반사들을 줄이기 위해 계면들을 패턴닝(patterning)하는 등 갈륨 질화물(GaN) 기반 LED들로부터 광추출효율을 증가시키기 위해 개발되어 왔다. 또한 GaN 의 굴절률(~2.45) 보다 더 작은 굴절률(1)을 가진 공기 구멍 구조들을 내부에 포함하는 것은 난반사를 형성하여 광 추출을 증가시키는 하나의 방법으로 소개되어 왔다. 이 타이완의 연구자들은 유사한 난반사효과를 만들기 위해 실리콘 산화물 (굴절률 1.46)과 공기 구멍들을 이용했다. 금속유기화학증착법(MOCVD)은 2 인치 사파이어 기판들 위에 질화물 에피텍시층을 성장하기 위해 사용되었다. 템플릿(template)들은 560 도씨에서 성장된30 nm GaN 핵생성층 위에 1020 도씨에서 3 um의 도핑하지 않은 GaN로 구성되었다. 실리콘 산화물 층은 유도결합플라즈마 (ICP)에 의해 원형 기둥들(3 um 지름, 3um 간격)로 식각되어 증착되었다. 그 기둥의 높이는 실리콘 산화물의 두께(200 nm, 500 nm, 700 nm)에 의해 결정되었다. 테스트된 LED들의 몇몇은 비교 목적으로 기둥이 없었다. 기둥들을 만든 후, GaN 성장은 에피텍시층 과도성장(ELOG) 기술을 이용하여 이어졌다.(그림1) 공기 구멍들은 실리콘 기둥이 완전히 채워지기 전에 측면 성장률을 증가시켜 만들었다. 이 기술은 200nm, 500nm 기둥들 위에 500nm 높이 공기 구멍들을 만들었다. 700nm 기둥 위의 공기 구멍은 400nm였다. 이 더 작은 구멍은 측면 과도성장률들을 변화시킨 더 높은 기둥을 위해 GaN 내에 어떤 다른 변형(strain) 조건들 때문이다. 실리콘 산화물 기둥들과 공기 구멍들을 이용하는 것은 난반사로부터 광추출 뿐만 아니라 가로놓인 LED 층들의 박막의 질을 향상시켜야 한다. ELOG 기술은 효율적이고 장시간의 수명을 가진 녹색 레이저 다이오드를 만드는 측면에서 질화물 재료의 전위(dislocation) 밀도를 줄이기 위해 폭넓게 개발되어 왔다. 실리콘 기둥들이 포함되거나 포함되지 않은 250 x 575 um LED들 위에서 전자 실험들은 재료의 품질이 ELOG 과정에 의해 진심으로 개선되었다는 것을 말해준다. 예를 들어, 다이오드를 가로지르는 역방향 전류는 기둥이 있는 LED안에서 50 % 이상 줄었다. (200 nm 기둥이 없는 경우 -2.5 uA, 있는 경우 -1.3 uA, 700 nm 기둥이 있는 경우 -0.9 uA) LED들의 20 mA 순방향 전류는 기둥이 없는 경우 3.30 V, 200 nm 기둥이 있는 경우 3.34 V (500 nm 기둥이 있는 경우 3.36 V, 700 nm 기둥이 있는 경우 3.38 V)였다. 전계발광(electroluminescence) 측면에서 500nm 기둥들이 있는 LED는 최고의 광출력을 가졌다.(그림2) 모든 LED들은 435 nm (청-보라)의 파장근처의 피크를 발생했다. 20 mA에서 기둥들이 없는 LED의 측정된 출력은 4.23 mW였던 반면에 200 nm, 500 nm, 700 nm 기둥 LED들의 출력들은 각각 4.23 mW (기둥 없는 LED에 비해 +39.1 %), 4.66 mW (+ 53.3 %), 4.44 mW(+46.1%) 증가했다. 연구자들은 500 nm 기둥에 비해 700 nm 기둥의 LED의 경우 출력이 떨어짐은 공기구멍이 더 작아졌기 때문이라고 밝혔다. 타이완 그룹은 또한 작아진 공기 구멍에 따른 증가의 감소를 광선 추적(ray tracing) 시뮬레이션으로 확인했다. 시뮬레이션이 실험적인 LED들만큼 증가 경향을 보였던 반면, 시뮬레이션 증가값은 더 컸다. (~70 %) 그림1: (a) 200 nm와 500 nm, (b) 500 nm와 500 nm, (c) 700 nm 와 400 nm 높이 실리콘 기둥들과 공기 구멍들을 각각 갖는 실리콘 산화물 기둥들과 공기 구멍들의 주사전자현미경 측면사진들. (d) ELOG 기술을 이용하여 기둥/공기구멍 형성의 구성도 그림 2: 제작된 LED들의 측정된 출력 대 주입 전류. LED들은 기둥의 높이가 커짐에 따라 I-IV로 정해졌다: 즉, I=0 nm(기둥이 없는 경우), II=200 nm, III=500nm, IV=700 nm.   Improving nitride light emission with silicon dioxide pillars and air gaps Researchers based at Taiwan’s National Cheng Kung University suggest adding silicon dioxide (SiO2) pillar structures and air gaps as a way to enhance light extraction from nitride light emitting diodes (LEDs) [Wei-Chih Lai et al, Appl. Phys. Lett., vol97, p081103, 2010]. A number of techniques have been developed to enhance light extraction from gallium nitride (GaN) based LEDs, such as laser lift-off, to remove the sapphire substrate, or patterning of the interfaces to enhance transmission out of and reduce internal reflections back into the device. Embedding air void structures with lower refractive index (1) than GaN (~2.45) has also been reported as a way of increasing light extraction by creating random scattering. The Taiwan researchers used silicon dioxide pillars (refractive index 1.46) and air voids to create a similar random-scattering effect. Metal-organic chemical vapor deposition was used to grow the nitride epitaxial layers on 2-inch sapphire substrates. The templates consisted of a 30nm GaN nucleation layer grown at 560°C followed by 3μm of undoped GaN grown at 1020°C. A SiO2 layer was then deposited from which the circular pillars (3μm diameter, 3μm spacing) were cut out by inductively coupled plasma etching. The height of the pillar was determined by the thickness of the SiO2 (200nm, 500nm, 700nm). Some of the LEDs tested had no pillars for comparison purposes. After the pillars were created, the GaN growth was continued using epitaxial layer overgrowth (ELOG) techniques (Figure 1). The air-gaps were created by increasing the lateral growth rate before the silicon pillar was completely covered. This technique created 500nm high air gaps on the 200nm and 500nm pillars. The air gap on the 700nm pillar was 400nm. This smaller gap is attributed to the somewhat different strain conditions in the GaN for the higher pillar changing the lateral overgrowth rates. Figure 1: SEM cross-sections of LED with SiO2 pillars and air gap arrays of (a) 200nm and 500nm, (b) 500nm and 500nm, and (c) 700nm and 400nm height SiO2 pillars and air gaps, respectively, and (d) schematic of pillar/air gap formation using ELOG techniques. Using SiO2 pillars and air gaps should improve not only the light extraction from random scattering, but also the quality of the overlying LED layers. ELOG techniques were developed widely to reduce dislocation densities in nitride material with a view to creating efficient, long lifetime blue laser diodes. Electronic tests on 250x575 μm LEDs with and without silicon pillars, suggest that the material quality is indeed improved by the ELOG process. For example, the reverse current through the diodes was reduced by more than 50% in the LEDs with pillars (-2.5μA without, -1.3μA with 200nm pillar, -0.9μA with 700nm pillar). The 20mA forward voltage of the LEDs was 3.30V without pillars and 3.34V with 200nm pillars (3.36V with 500nm, 3.38V with 700nm). Figure 2: Measured output power vs. injection current for fabricated LEDs. The LEDs are labeled I-IV with increasing pillar height: i.e., I = 0nm (no pillar), II = 200nm, III = 500nm, IV = 700nm. In terms of electroluminescence, the LED with 500nm pillars had the greatest light output power (Figure 2). All the LEDs emitted around a peak wavelength of 435nm (blue-violet). The measured output power for LEDs with no pillars at 20mA was 3.04mW, while the powers for 200nm, 500nm and 700nm pillar LEDs were 4.23mW (+39.1% on no pillar LED), 4.66mW (+53.3%), and 4.44mW (+46.1%), respectively. The researchers suggest that the drop in power for the 700nm pillar LED compared with the 500nm one was due to the smaller air gap. The Taiwan group also performed ray-tracing simulations where similar reduction in enhancement with the reduced air gap. Although the simulation showed similar trends in enhancement as for the experimental LEDs, the simulation enhancement values were higher (~70%).

朴昌鎬님의 파란블로그에서 발행된 글입니다.