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한국 연구원들은 자외선 발광소자(LED)의 광 출력을 증가시키기 위해 분산된 브래그 반사체(DBR) 코팅을 개발했다.
연구원들은 LED가 일반 조명이나 디스플레이에 적용될 수 있기 위해서는 현재 사용하는 조명 기술보다 훨씬 더 효율적인 에너지를 가지고, 더 오래 지속되며 더 저렴하게 제작될 수 있도록 고체 조명 기술을 개발하기 위해 노력하고 있다.
대부분의 질화물 LED 연구는 LED 내부의 광 발생 효율을 개선하는 것보다 LED 외부의 광 추출을 증가시키는 데에 집중되어 왔다. 현재, 플립칩 구성이 가장 일반적인데, 이 구성은 LED 구조들을 성장시키는 기판을 통해 빛을 방출하는 것을 말한다. 그러나, 활성층 내의 광 발생은 특정 방향을 향하는 것이 아니다. 이에 따라, 광 출력을 증가시키기 위해서는 기판 뒤에서 유용한 방향 쪽으로 빛을 반사하는 것이 필요하다.
DBR은 반사 효과들을 만들기 위해 광 파동들의 보강 간섭을 이용한다. 이 간섭 효과는 서로 다른 굴절률을 가진 물질들의 층들에 의해 발생된다. DBR은 도파로나 광섬유 내에서 빛을 가두기 위해 사용해 왔다.
플립칩 광 추출의 또 다른 문제는 기판 외부 계면에서의 반사가 소자에서 빛이 나가지 못하도록 할 수 있다는 것이다. 연구원들은 몇몇 소자들에 대해 패턴을 가진 기판을 이용했다. 패턴화된 사파이어 기판들은 기판 외부 계면에서 소자 내부로 되돌아오는 반사를 감소시켜 광 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
이 LED들 (그림1)은 금속 유기 증기 성장법 (MOCVD)을 이용하여 패턴이 없는 또는 반구형태의 패턴이 있는 사파이어 위에 성장되었다. 이 LED의 구성은 4.5um 도핑되지 않은 질화갈륨(GaN), 3um n-형 GaN, 활성영역인 5 주기 InGaN/GaN 다중양자우물 (MQW), p-GaN/p-AlGaN 전자차단층, 0.14um p-GaN이다.
층 형성은 73 도 벽 각도를 가진 300um x 300um 격리 메사들을 만들기 위해 유도 결합형 플라즈마 반응성 이온 식각장치(ICP-RIE)를 이용했다. n형 GaN 층은 타이타늄/알루미늄 전극을 성장하기 위해 26 도 벽 각도를 가진 이 격리층의 상부에 얇은 메사를 형성함으로써 노출되었다. p형 전극은 반사되는 은/구리 층으로 구성되었다. 5주기 SiO2/TiO2 (73nm/38nm) DBR 층은 전자 빔 증착법을 이용하여 기판 위에 성장되었다. 마지막으로 전극들은 ICP-RIE를 이용하여 노출시켰다.
패키징을 위해 칩들은 뒤집히고(서브마운트되고) 일반적인 5mm 패키징 기술을 이용하여 실리콘 서브마운트(submount)에 접촉되고 자외선 에폭시 내에 캡슐화되었다. 20mA 구동 전류에서 피크 방출 파장은 400nm (보라색) 이었다.
DBR 구조는 68nm/40nm인 SiO2/TiO2이 1/4 파장 크기의 층들이 될 때 최고의 결과들을 예시한 광전달 행렬을 이용하여 디자인되었다. DBR 없는, 격리 벽 위의 DBR, 격리, 얇은 메사 측면벽들 위에 DBR 등 다양한 LED 구성들이 시험되었다. 이 반사들은 사파이어 기판을 통해 광방출을 이끌었다. 이 선택들은 평판과 패턴된 사파이어 위에 성장된 LED 내에 제공되었다.
DBR이 없는 평판 LED의 광출력은 측정 설치를 위해 1로 평준화되었다. 격리 벽에 DBR 층을 적층한 효과는 1.29 배의 출력 증가를 보였다. 얇은 메사 별 위로 DBR 적층은 1.36 배 증가했다. 패턴된 사파이어 LED들의 출력은 DBR없는 경우, 격리벽 위에 DBR의 경우, 모든 DBR의 경우, 각각 1.75, 2.04, 2.31 배의 증가를 보였다.
패키징된 소자들은 패턴된 LED를 만들고 광출력을 측정했다. (그림2) 20mA 주입전류에서 광출력은 LED A, B, C 가 각각15.59mW, 16.54mW, 17.52mW 였다. DBR 증가 (1.12 = 17.52/15.59)의 감소는 사파이어 (1.8)와 공기(1)의 굴절률의 중간치인 1.5인 에폭시의 굴절률에 기인한 효과이다.
참고자료: K. H. Baik, B. K. Min, J. Y. Kim, H. K. Kim, C. Sone, Y. Park, and H. Kim, Light output enhancement of GaN-based flip-chip light-emitting diodes fabricated with SiO2/TiO2 distributed Bragg reflector coated on mesa sidewall, J. Appl. Phys. 108, 063105 (2010); doi:10.1063/1.3478740 (4 pages)
그림1: (a) 완성된 LED의 구성 단면, (b) 격리된 메사(mesa) 측면, (c) DBR을 형성하는 SiO2/TiO2가 코팅된 얇은 메사 측정의 측면 주사전자현미경 이미지
그림2: 5mm 자외선 에폭시 패키징 후 LED A, B, C의 광출력 대비 주입 전류
원문 >>
4 October 2010
Nitride LED output increased by up to 36% with distributed Bragg reflectors
Researchers in Korea have developed a distributed Bragg reflector (DBR) coating to boost light output from violet light-emitting diodes (LEDs) [K. H. Baik et al, J. Appl. Phys., vol108, p063105, 2010]. The researchers came from a number of institutions: Korea Electronics Technology Institute, Samsung Advanced Institute of Technology, Samsung LED, and Chonbuk National University. The research was supported by the New Growth Engine Smart Project Program funded by the Ministry of Knowledge Economy (MKE), Republic of Korea.
The researchers are seeking to contribute to improving solid-state lighting technology with the aim of making it a much more energy-efficient, longer-lasting, and more cost-effective than conventional lighting technologies so that LEDs will be implemented in general illumination applications, as well as in displays.
Much nitride LED research has focused on increasing the light extraction from LEDs, rather than improving the light generation efficiency. Recently, the flip-chip configuration has become popular, where light is emitted through the substrate on which the LED structures are grown. However, the generation of light in the active layers is not directed in a specific direction. To increase light output, it is necessary to reflect light going away from the substrate back into a useful direction.
DBRs use constructive interference of light waves to create reflection effects. The interference effects often come through creating precise layers of alternating materials with different refractive indices. DBRs are widely used to confine light in waveguides and optical fibers.
Another problem that arises with flip-chip light extraction is that reflection at the substrate-external interface can stop light leaving the device. The researchers used a patterned substrate for some of their devices. Patterned sapphire substrates can increase light extraction efficiency by reducing reflection back into the device at the substrate-external interface.
The LEDs (Figure 1) were grown on sapphire (unpatterned or with hemispherical patterning) using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), starting with a 4.5μm undoped GaN layer, followed by 3μm of n-GaN. The active region consisted of a 5-period InGaN multi-quantum well (MQW) with GaN barriers. The electron-blocking layer was a combination of p-GaN and p-AlGaN. The nitride layers were completed with 0.14μm of p-GaN.
Figure 1: (a) Schematic cross-section of completed LEDs. (b) SEM images of isolation-etched mesa sidewall. (c) SEM cross-sections of shallow mesa sidewall, coated with five SiO2/TiO2 layer pairs forming DBR.
The layer construction was followed by inductively coupled-plasma reactive-ion etching (ICP-RIE) to create 300μm x 300μm isolation mesas (73° wall angle). The n-GaN layer was exposed by creating a shallow mesa on top of the isolation (26° wall angle) for deposition of the titanium/aluminum electrode. The p-electrode consisted of a reflective 300nm silver-copper layer. The 5x SiO2/TiO2 (73nm/38nm) DBR layer was deposited over the wafer using electron-beam evaporation. The contacts were exposed using ICP-RIE.
For packaging, the chips were flipped and bonded to silicon submounts and encapsulated in UV-epoxy using conventional 5mm packaging techniques. At 20mA drive current the peak emission wavelength was 400nm (violet).
The DBR structure was designed using optical transfer matrix calculations that suggested that 68nm/40nm SiO2/TiO2 quarter-wavelength layers would give the best results.
Various LED configurations were tested: no DBR, DBR on isolation walls only, and DBR on both isolation and shallow mesa sidewalls. These reflections directed the light emission through the sapphire substrate. These options were provided in LEDs grown on planar and patterned sapphire.
The output power of the planar LED without DBR (a) was taken as the normalization of 1 for the measurement set-up. The effect of adding DBR layers to the isolation wall (b) was to boost output by a factor of 1.29. Adding a DBR onto the shallow mesa wall (c) increased this to a 1.36 enhancement. The outputs for patterned sapphire LEDs were enhanced by factors of 1.75, 2.04 and 2.31 over the normalization device for planar sapphire diodes (a) with no DBR (A), DBR on isolation walls (B), and full DBR (C), respectively.
Figure 2: Optical output powers vs injection current of LEDs A, B, and C evaluated after conventional 5mm UV-epoxy packaging.
Packaged devices were created from the patterned LEDs and the output powers measured (Figure 2). At 20mA injection, the light output powers were 15.59mW, 16.54mW, and 17.52mW for LEDs A, B, and C, respectively. The reduction in the effectiveness of the DBR enhancement (1.12 = 17.52/15.59) is attributed to the effect of the epoxy refractive index (1.5) being intermediate to that of sapphire (1.8) and air (1).
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