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제목 Air-cavity 패턴된 기판을 이용한 고효율 LED 제작
작성자 관리자 작성일 2016-05-11 16:12:15 조회수 860
Light emitting diods (LEDs) 조명은 에너지 효율이 높아 백열등 및 형광등을 대체할 새로운 조명원으로 각광 받고 있지만, LED 전구의 비싼 가격 때문에 대중화가 지연되고 있다. 일반적으로 조명용 LED chip은 GaN기반 화합물반도체를 사파이어 기판 위해 성장하여 제작된다. 하지만, GaN 와 사파이어의 격자상수가 서로 달라 고품질의 GaN 박막을 성장 시키기 힘들며 이는 LED chip 의 발광효율을 감소시키게 된다. 그리고 GaN 층 내에서 빛이 발광된다 하더라도 GaN의 높은 굴절률에 의해 발광된 빛이 외부로 추출되는 효율이 매우 낮다. 또한, 두 물질의 열팽창 계수 차이는 성장 후 상온으로 온도가 낮아짐에 따라 기판을 휘게 만든다. 이러한 기판의 휨 현상은 이후의 소자 공정에 제약을 가져와 생산성을 저하 시킨다. 이러한 기술적 문제들이 해결되어야 LED chip의 효율을 증가 시키고 생산성을 향상시켜 나아가서는 LED 조명의 가격을 낮출 수 있다. 

본 연구에서는 LED chip의 효율 향상시키고 동시에 기판 휨을 감소시키기 위해 air-cavity 패턴된 사파이어 기판 위에 GaN 기반 LED구조를 성장하였다. 실험과정은 그림 (a) 나타난 모식도와 같다. 먼저 photoresist (PR) 패턴을 사파이어 기판 위에 형성시키고 thermal reflow 공정을 통해 반구 형태로 만들어 준다. 그 다음 atomic layer deposition을 통해 비정질 Al2O3 박막을 PR 패턴된 사파이어 기판 위에 증착 시킨다. 그 후 산소분위기에서 열처리를 하게 되면 PR이 산화되어 제거되고 그를 둘러싸고 있던 Al2O3 박막만 남게 되어 PR 패턴과 동일한 형상의 air-cavity 패턴이 기판 표면에 형성되게 된다. 또한, 열처리중에 비정질 Al2O3가 사파이어기판과 같은 상으로 결정화되어 GaN 박막 성장이 가능하게 된다. 그림 (b)와 (c)에 각각 완성된 air-cavity 패턴된 기판과 그 위에 GaN를 성장한 시편의 SEM 사진이 나와있다. Air-cavity 패턴 된 기판 위에 LED chip을 제작한 결과 일반 사파이어 기판에 제작한 것에 비해 광 출력이 2.2 배 향상 되었으며, 기판 휨도 약 30 % 감소하였다. 이 기술의 가장 큰 장점은, PR 패턴에 따라서 air-cavity 패턴의 모양, 배열, 크기 조절이 용이하다는 것이다. 이를 통해 광 효율 향상에 최적화된 air-cavity 패턴을 제작하여 더 높은 효율이 LED를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.


 
  • 센터명 : 에너지 반도체 연구센터
  • 작성자 : 임혜진
E-mail : gowlsdla@snu.ac.kr

 

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