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LED 에피/칩 기초

그린에너지 연구센터

2009.4.22

황성민

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발표 순서

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Overview

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1993

6

현 추세로 CO2 방출이 계속될 경우,

-향후 100년 이내에 5.8도 상승 - 전체 생명체의 70% 멸종

- 재앙적 파국 초래

-에너지 절약(효율화)문제가 최대의 관건임

현재의 CO2 농도

50년후 CO2 농도

(출처:다큐멘터리 “불편한 진실”중 엘 고어 미국 전 부통령)

지구는 600만년동안 단 한번도 CO2 농도 300ppm 이상을 기록한 적이 없다.!

에너지, 환경(1)

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2007년도아시아-태평양정상회담의제 1의제: “지구 온난화”임

21세기, 미국의 제 1주적은 테러도, 전쟁도 아닌 “기후” 다. 미 국방부 비밀보고서

-2004년 영국 옵서버紙 폭로(한계레신문 4월 22자)

LED는 풍력, 조력, 태양전지등과 같은

GEF(Green Energy Family) 활동의 일환임.

에너지, 환경(2)

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광 원 image 구 조/ 원 리 특 성 특 징

백열전구

Incandescent lamp

텅스텐필라멘트 + 진공

• 15 lm/W, 1 khr

1879년토마스 에디슨

저렴한 비용 및 다양한 용도로 인해, 일반적인광원으로서뿐만 아니라 장식용으로도 널리 사용

할로겐램프

Halogen lamp

텅스텐필라멘트 +

할로겐가스 20-30 lm/W

백열등에비해 일정한 광속, 장수명,

컴팩트 한 규격

방전 램프

Discharge lamp

전극 전기방전 +

충전물 + 안정기

(전류 제한/점등)

150 lm/W (고압나트륨 lamp]

50 lm/W [수은lamp]

극히 높은 광효율

극히 긴 수명

가장 경제적인광원 : 색채 재현이 가능한 일반조명중 가장 경제성이높음

(상기특징은고압 나트륨 램프의경우임)

형광등램프

Fluorescent lamp

저압 방전 램프 +

형광체물질

80 lm/W, 10 khr

1938년최초 개발

백열램프대비 밝기 7∼8배, 수명 10배이상

적은 열발생, 저전력 소모

부드러운색감과 다양한 색조 가능

발광다이오드

LED

반도체발광다이오드 + 형광체

100 lm/W

(이론효율300 lm/W

까지 가능)

작은 규격, 내 충격성

높은 광효율, 긴 수명(최대 10만 시간)

직접조명기능

중금속 free

자료출처: http://www.osram.co.kr/, http://wooree.co.kr

실제, 빛의 방향성 때문에 형광등 80lm/W와 LED 60lm/W가 같은 수준임

에너지, 환경(3)

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** LED로 조명이대체될경우 연간 에너지절약액은 1.6조원 (한국 광기술원)

에너지, 환경(4)

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2010년 실현계획2010년

CO2삭감량(만톤)

2020년실현계획

2020년CO2삭감량

(만톤)

산업부문LED조명도입

기존형광등에 비해 2배효율을 높인 LED조명을200만kw에 도입

137 600만kw에

도입413

업무부문LED교통신호

등

17만개 교차점에 98만개의 신호등을 LED로 교체

9 모든 교차점을

LED화9

업무부문백열등의LED화

호텔, 주점 등의 조명 200만kw를 LED조명화

120 400만kw를LED조명화

239

업무부문형광등의LED화

호텔, 주점 등의 조명 200만kw를 LED조명화

69 400만kw를LED조명화

138

업무분문유도등의LED화

고휘도 비상구 유도등 17만kw의 70%에 LED 유도등을 도입하고, 효율 2배높임

16 100%에 도입 23

*자료: WWF(World Wildlife Fund)

일본의 LED조명을통한 이산화탄소 삭감 계획

에너지, 환경(5)

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1879년 백열등

New Digital Lighting !!!에너지/환경문제 최우수 차세대 광원

2012년 LED 조명1938년 형광등

Channel letter Transport interior desk lamp Decoration General lighting

Halogen 대체30~35 lm/W

형광등 대체 시작70~120 lm/W

실외 조명까지 확대150 lm/W 이상

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

General Lighting

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LED Backlight Unit CCFL (EEFL) Backlight Unit

• 기존 CCFL보다 1.2배의 전력을 소모

• 가격이 CCFL에 비해 1.5배로 고가임

• Color Rendering이 뛰어남

• CCFL(EEFL)에 들어 있는 수은이 없음

• High Voltage Invertor 불필요

• Backlight Unit의 광필터 제거 가능

(RGB LED를 각자 구동할 경우)

장점 단점

LCD Back light

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Lumileds사 pocket Projector

Lumileds LED 탑재Zeiss사 Pocket Projector

Osram LED 탑재

LED (R/G/B)

LED Projection System

Color Wheel

UHP Lamp + Color wheel

DMD

DMD

DLP Projection System

LED TV/Projector

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자동차용 LED

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원리

- 식물은특정파장대역별로반응이상이함.

파장별이용현황

- Red(90%) + Blue(10%) : Red 파장은식물의광합성을이용하여성장을촉진시킴.

소량의 Blue 파장을조합시키면높이에비해잎을넓고크게만듬.

- Green : 녹색의엽록소에서광흡수가적어, 광합성및성장이억제되고잎이가늘고길게됨.

- Blue : 줄기의성장이억제되고잎이넓고크게됨

Red(90%) + Blue(10%) Green Blue

식물재배

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원리

- 바닷물의빛흡수력이청색에서가장낮음- 50m 정도의물속에서는아래표의 Blue LED와메탈할라이드램프가비슷한밝기로보임- 오징어가가장잘인식하는빛의파장대역도 Blue 대역임.

기존광원대비비교

Blue LED 집어등

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UV LED 화폐검사기

조명응용(UV LED + 형광체)

R, G, B 형광체

LED Name & 3 D Lighting

동일 UV LED에서 서로 다른 색을 발광하는 형광체

UV LED 응용

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개요: 유해성 세균을 제거하기 위하여 Hg lamp를 사용하는 멸균시스템을

RoHs기준을 만족시키는 deep UV LED를 이용하여 sterilizer를 개발함.

**기존 Hg lamp사용하는 살균시장대체, 신규시장창출

Sterilizer/Purification

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LED의 이해

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화합물 반도체 사업영역 분류

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화합물 반도체의 특성

InxGa1-xN : (UV~Blue~Green) Direct bandgap emission over entire visible spectrumNo lattice-matched substrate(dislocations)

(AlxGa1-x)0.5In0.5P : (Red)Direct bandgap from 650 to ~ 560nmLattice-matched to GaAs (absorbing)

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LED 기본 원리

2323

* 연색성(연색지수, CRI : Color Rendering Index)

: 자연광에서사물의색과특정조명하에서의색이어느정도유사한가수치로나타낸것

백색 LED 제조 방법

2424

Phosphor

Electrode

Optical Lens

InGaN High Power LED

Si Optical Bench

Resin Mold

Heatsink

Chip Design

Internal Quantum Efficiency

Light extraction Efficiency

Die Shaping

Flip Chip

Patterned Sapphire Substrate

Laser Lift-off

Low thermal resistance

Thermal design@ High Power LED

Light Extraction Efficiency

Light Distribution

Resin Stability

Conversion Efficiency

Phosphor Stability

LED 구조

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Supply Chain

Epi_wafer Chip Package Module System

SubstratesMOCVD technology

Technology of

high purity chemical process

Material characterization and

device design technology

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고휘도 Blue Epi- Wafer 고휘도 Green Epi-Wafer

에피 웨이퍼

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+ 100%

+ 140%

+ 200%

X-BrightM-Bright

In Production In Development

Chip Shaping

칩(Chip)

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주요 사항• P-AlGaN Electron Blocking layer의도입.• MQW 활성층 최적화• P-N Diode 구조 최적화

에피/칩 구조

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LED 효율

미국 NGLI(Next Generation Lighting Initiative) 개발 목표 단위:%

년도 Driver LED 광소자 (pkg까지) 광학부품,

등기구총 효율

내부양자 광추출 전기주입 형광체/산란

2005 85 60 50 70 75 70 8

2015 90+ 90 90 90 85 90 47

LED 조명 효율=A x B x C x D x E x F x G

A: 내부양자효율, B: 광추출효율, C: 전기주입효율, D: 형광체 변환효율,

E: PKG산란손실, F: 광학/등기구효율, G: Driver효율

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LED 에피탁시의 이해

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용어 설명

양자우물(활성층) : Quantum Well

밴드갭(Energy Band Gap)이큰(파장이 짧은) 물질 사이에 있는 밴드갭이작은(파장이 긴) 얇은 막

N-AlN P-AlN

GaN

Epitaxy, 유기금속, p-도핑, n-도핑

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Epitaxy?

용어 설명

기판과 동일한 결정구조를 가지며, 올리는 얇은 막

deposition

Epitaxy

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기존 에피탁시와 GaN 에피탁시의 차이점

TEC)Sapphire > TEC)GaN > TEC)AlN > TEC)Si

• Tensile stress in the GaN layer on Si.

• 이로 인한 crack의 발생 (임계두께 < 1~1.5µm).

• Need strain relaxation or compensation in between epi layers

-34%54%

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유기 금속

1. GaAs : H+ (CH3)3-Ga + AsH3 =

GaAs + 3(CH4 )

2. AlxGa1-xAs : (1-x)(CH3)3-Ga +

x(CH3)3-Al + AsH3 = AlxGa1-xAs

+ 3(CH4)

3. GaxIn1-xP : (1-x)(CH3)3-Ga +

x(CH3)3-ln + PH3 = GaxIn1-xP + 3

(CH4)

4. (AlxGa1-x)yIn1-yP : y{x(CH3)3-

Al + (1-x)(CH3)3-Ga} + (1-

y)(CH3)3-ln + PH3

= (AlxGa1-

x)yIn1-yP + 3 (CH4)

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N-doping

National Renewable Energy Laboratory

N-type doping

Free electron

Ga, Group III

As, Group V

Si, Group IV

Valence

electrons

금속: 전자, 액체: 이온, 기체: 플라즈마, 반도체: 전자+정공

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p-doping

P-type doping Hole

Ga, Group III

As, Group V

Zn, Group II

Valence

electrons

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(7~10)E172.1 umGaAs buffer

(7~10)E170.35umN-Al0.7GaInP

Undoped0.7 umactive

(2~5)E171.0 umP-Al0.7GaInP

1E18500 AAmorphous

GaP

5E18 / 3E189 umP-GaP

Doping Level두 께Layer

GaAs 기판,2deg

N-Al0.7GaInP

P-Al0.7GaInP

P-GaP

GaAs Buffer

Amorphous GaP

X=0.05

X=0.4, 230A

MQW(25pair): Well-110A, Barrier-150A

에피탁시 (적색)

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에피탁시 (청색/녹색)

■ MQW 개선(Quality 향상)

■ P-Contact 층 Doping 개선

■ P-GaN Hall 농도개선

■ EBL Layer 개선

■ 표면 Morphology 개선

n-GaN

u-GaN

버퍼층

p-GaN

p-AlGaN

p-GaN

활성층

Sapphire PSS

■ 새로운 buffer층 개발

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MOCVD 장비

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(CH3)3Ga2 + NH3GaN + n(C2H6)

MFC

MFC

NH3

H2

TMG

Throttle

ValvePump

Scrubber

Epifold

Shower

Head

Susceptor

Resistor

Heater

Push Flow

MOCVD 모식도

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내부양자효율

내부 양자 효율 ?(Internal Quantum Efficiency (IQE))

정의 : 발광소자에 주입된 전기 에너지를 빛 에너지로 전환하는 효율

주요 영향

- 소자 발광 효율

- 소자 내부 열 발생

- 소자 신뢰성 (수명)

정공

전자

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에피탁시 이슈

Dislocation density* 108 – 1010 Cm-2

MQW design

Piezoelectric field* ~ 106 V/Cm

Carrier overflow

Dislocation

Electron overflow

Hole overflow

Piezo. field

* MQW : Multi Quantum Well

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에피탁시 이슈

Piezo. effect

Carrier overflow

예) nopolar GaN

예) carrier blocking layer

N PI:MQW

Dislocation Density

MQW Design

예) QD 형태의 활성층

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Chip fabrication

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광추출효율/전류주입효율

N-contact &series 저항

N-GaN 저항

Quantum barriers

P-GaN 저항

P-contact &Series 저항

N-GaN roughening

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LED 기본 구조 및 광추출효율 증가 방법(1)

47

* PSS : Patterned Sapphire Substrate

LED 기본 구조 및 광추출효율 증가 방법(2)

4848

Metal-bonding type

n-GaN

p-GaN

Sapphire

Conducting Si or mtetal

n-GaN

(Thick optical window layer)

Flip-chip bonding type

Conventional LED

The bonding types for high-power LEDs

LED 대면적 chip(1)

4949

LED 대면적 chip(2)

50

광추출효율/전류주입효율 -review

LED 기본구조(Blue/Green/UV) LED 기본구조(Red/Orange/Yellow)

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기타 주요 이슈

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파장별 LED의 기술적 난이도

Polar

Non-Polar

53

물리적 한계

250 300 350 400 450 500

0.1

1

10

Ex

tern

al

Qu

an

tum

Eff

cie

nc

y (

%)

Wavelength (nm)

Yale

NTT

Nichia

Lumileds

SET/lumileds

Cree

Mitsubishi

A.Khan

Meijo Uni.

Sandia

Texas Tech.

U.Tokusima

Boston Uni.

Northwestern

Kansas Uni.

RIKEN

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결정면이 다른 웨이퍼위의 epitaxy

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에피 품질의 중요성 - Droop

출처: 삼성전기

56

Droop의 원인

출처: 삼성전기

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신뢰성의 중요 요소

출처: 삼성전기

내정전압(Electrostatic Discharge (ESD))

정의 : 인위적 정전기 발생 장비를 이용한 발광소자 최대 정전압 측정.

Crystal quality

Field spreading

Protection device

DefectsField crowding

Al2O3

ESD damage 흔적

주요 이슈

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One Chip, One Bulb

출처: Philips, 2008 @KINTEX

59

약자(弱者)가 강자(强者)를 이기는 법(란체스터의 법칙)