Fabrication of thin-film InGaN light-emitting diode membranes by laser lift-off 2005-11786 손태홍 2005-11819 이광희.

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1 Fabrication of thin-film InGaN light-emitting diode membranes by laser lift-off
손태홍 이광희

2 InGaN/GaN DH violet LED
‘93 Shuji Nakamura

3 Blue LED에 대한 기존 기술과 그 당시의 대안적이었던 연구 방향
기존의 연구 Blue LED의 첫 구현에 사용된 재료는 II-VI compound semiconductor Yoshimoto et al. 의 연구 InGaN를 active layer로 사용하려고 함. Indium의 농도에 따라 1.9~3.4eV로 bandgap이 조절 가능 Sapphire substrate 위에서 InGaN를 성장시킴 S. nakamura의 연구 InGaN을 GaN 층 위에서 성장시키는 것이 더 좋은 특성을 보이는 것을 발견 (crystal quality, external quantum efficiency 측면에서) p-GaN/n-InGaN/n-GaN의 double hetero structure를 구현 (sapphire substrate 위에서) Two-flow MOCVD 기술 이용

4 Two-flow MOCVD (metalorganic chemical vapor deposition) (1)

5 Two-flow MOCVD (metalorganic chemical vapor deposition) (2)
Reactive gas를 빠른 속도로 분사하기 위해 얇은 tube를 사용 Film이 균일하게 자라지 못하는 단점 Two-flow MOCVD Substrate와 평행 방향으로 reactive gas를 보냄과 동시에 수직 방향으로 inactive gas를 보냄 수직 방향의 흐름이 없다면 substrate에 균일하게 성장이 이루어지지 않음(몇 개의 섬모양만 생김)

6 Two-flow MOCVD (metalorganic chemical vapor deposition) (3)
The crystal quality of the GaN film was characterized by the double-crystal x-ray rocking curve (XRC) method.

7 p-GaN/n-InGaN/n-GaN의 double hetero structure의 구현
Substrate : Sapphire with (0001) orientation Trimethylgallium(Ga), trimethylindium(In), SiH4(Si), Cp2Mg(Mg), NH3(N) 성장 시의 각 단계마다 일정한 시간, 온도, gas의 flow rate를 맞춰줌. Sapphire/GaN buffer/Si-doped GaN film(n type)/Si-doped InGaN film(n type)/Mg-doped GaN film(p type) p type surface를 부분적으로 etching (n type GaN 층이 드러나도록) 전극을 각 표면에 증착시킴

8 InGaN/GaN DH violet LED의 특성
Zn( S,Se)-based LEDs (II-VI compound) 60 μW at a forward current of 20 mA the external quantum efficiency 0.1% - peak wavelength 494 nm InGaN/GaN DH LEDs - 90 μ W at 20 mA - external quantum efficiency is 0.15% at 20 mA peak wavelength (420 and 411 nm) InGaN film을 만들 때에 온도, flow rate 조절을 통해서 In의 비율을 맞출 수 있고, 따라서 LED에서 나오는 빛의 파장을 바꿀 수 있다.

9 Thin film InGaN LED by Laser Lift-Off
’99 W. S. Wong and T. Sands

10 기존 InGaN LED 기술의 단점과 free-standing InGaN LED 의 필요성
Heteroepitaxy 방법을 써야함 Sapphire substrate에서 만들어진 GaN film의 단점 Lattice와 thermal-expansion coefficient의 mismatch Sapphire substrate 때문에 모든 전극이 한쪽 면에 증착. 때문에 저항이 커지고 구동전압이 커짐. Sapphire의 낮은 thermal conductivity 때문에 열이 잘 dissipate 되지 않아서 LED 성능에 악영향. Thin-film Lift-Off 기술 - sapphire substrate를 떼어내고 다른 물질과 함께 integrate할 수 있으면 더 나은 특성을 얻을 수 있음

11 Epitaxy와 Multi Quantum Well
Heteroepitaxy 보통 스스로 결정성장을 하기 어려운 물질을 성장할 때 쓰는 방법 다른 결정 위에서 성장시킴 성장 순서 (앞선 s.nakamura 논문에서처럼 MOCVD growth) Sapphire substrate/n-type GaN:Si/active region five InGaN QW/p-type GaN:Mg chemically assisted ion-beam etching (CAIBE) -> mesa 형성 전극 증착

12 Multi Quantum Well Quantum well Well : 작은 bandgap
Barrier : 큰 bandgap -> quantum well 형성 DOS가 계단모양을 나타내기 때문에 bulk 반도체에서처럼 전자가 비어있는 level을 찾으러 멀리까지 갈 필요가 없음 -> population inversion이 쉽게 일어남 MQW Quantum well의 효과를 더 넓은 영역에서 확장시킴 DH 와 MQW의 external quantum efficiency 차이 DH : 0.15% MQW : 1.7%

13 Laser Lift-Off 방법의 순서 InGaN LED를 Si wafer에 붙임
ethyl cyanoacrylate (C6H7NO2)-based adhesive sapphire/LED/adhesive/Si structure KrF pulsed excimer laser sapphire substrate에 대해 pulsed ultraviolet-laser irradiation GaN의 short optical absorption length에 의해 film/sapphire interface에 국부적인 가열 가열에 의해 GaN이 Ga metal과 N2 gas로 분해 Ga-rich interfacial layer를 가열해서 녹임 (Tm = 30°C) LED/adhesive/Si structure를 acetone에 담금 - Free-standing membrane 얻음

14 Excimer Laser excimer는 excited dimer의 약자
dimer가 excite 되고 나서 짧은 시간 후에 빛을 방출할 때 주로 나오는 UV의 빛을 이용한 laser 보통 비활성기체(Ar, Kr)와 reactive gas(F, Cl)의 혼합물을 사용 표면 물질을 태우거나 자르지 않고, 분자 bonds들을 부술 만큼의 충분한 에너지를 제공해서 세밀하게 표면을 걷어낼 때에 사용 반도체 공정이나 LASIC 수술에서 자주 사용

15 LLO를 거치기 전과 거친 후의 LED 특성 비교 (1)
Effect of LLO on the diode junction - I-V curve 가 동일 optical property Shift나 broadening 이 일어나지 않음

16 LLO를 거치기 전과 거친 후의 LED 특성 비교 (2)
Power – current curve External quantum efficiency가 1.7%에서 1.3%로 감소 GaN membrane이 quartz substrate로 옮겨진 이후에 실험 Poor light coupling Residual absorption or light scattering at the former GaN/sapphire interface