고품질의 ZnO 단결정 투명전극을 이용한 고효율 LED 소자의 개발

Abstract

가시광선 영역 400nm~700nm에서 80%정도의 광 투과성을 갖고 동시에 ~10³/Ω㎝의 전기 전도성을 갖는 투명 전도성 산화막(TCO: Transparent cond uctive oxide)은 디스플레이의 여러 분야에 사용되고 있다. 특히 GaN계 질화물반도체 LED의 경우는 p-GaN층에서 전류가 발광층(InGaN) 내부로 충분하게 주입되지 않기 때문에 균일하게 전류를 흘려보내기 위해서 전류 퍼짐층 (CSL, current spreading layer)으로 사용 되고 있다. 대표적인 GaN계 질화물반도체 LED의 TCO 물질로는 ITO(Indium Tin Oxide)가 있는데 ~10⁴/Ω㎝ 이하의 전기적 특성 및 가시광선 영역에서 80% 이상의 높은 광 투과도로 우수한 전기적 광학적 특성을 갖기 때문에 가장 널리 사용되어지고 있다. 하지만 ITO의 고질적인 문제점인 In의 희소성으로 인한 높은 생산단가와 수급 불안정, 유독성, 수소 플라즈마에 노출 시 열화 되는 화학적 불안정성 등의 문제 때문에 ITO 물질 자체의 성능한계를 보이고 있다. 따라서 LED chip에 성능개선을 위해서 필수적으로 요구되는 투명전극에 대한 새로운 신소재 및 기술이 전 세계적으로 요구되고 있고 대체할 수 있는 물질로는 SnO2나 ZnO에 불순물을 첨가하는 방식으로 기술개발이 진행 중에 있다. 본 연구는 단결정 고품질의 ZnO:As-Ga을 사용하여 LED Chip에 적용되는 투명전극의 필수 요구 조건인 우수한 광투과도 (optical transparent), p-GaN 금속 접촉 층과의 낮은 접촉저항(contact resistance), 투명전극 자체의 낮은 면 저항(sheet resistance), 우수한 열적 안정성(thermal stability) 및 균일성(uniformity) 등을 만족 시키며 기존의 GaN계 질화물반도체 LED의 ITO 투명전극을 대체 할 수 있는 고품질의 단결정 ZnO 박막 투명전극을 개발하여 대체 물질로써의 가능성을 확인하였다. 비교 방법으로는 동일한 조건을 갖는 MOCVD를 사용하여 얻어진 LED Epi-wafer 위에 기존에 사용하는 ITO를 투명전극으로 올린 wafer와 MBE법을 사용한 단결정 ZnO:Ga-As 박막을 투명전극으로 성장 시킨 wafer를 각각 스마트폰/PAD 및 노트북용 : (800x300㎛² @20㎃), 모니터용 : (850x650㎛² @95㎃), TV/조명용 : (1100x700㎛² @100㎃)의 3가지 크기의 LED Chip을 제작 하여 이를 누설전류(IR), 동작전압(VF3, V), 중심파장(WD)및 광 출력(po, ㎽)에 대한 전수 검사를 실시하여 동일 조건위에 올린 ITO와 ZnO의 투명전극에 대한 비교를 조사하였다. 그에 대한 결과로 800x300㎛²(@20㎃) size의 chip에서는 고품질의 단결정 ZnO:Ga-As 박막이 ITO대비 구동전압에서 0.04V높은 결과가 나왔지만 중심 값을 기준으로 10㎽(9.6%)이상 높은 광 출력 결과를 나타냈으며 2″LED Chip 전체 면적에서는 보다 더 균일한 산포를 갖고, 850x650㎛²(@95㎃) size의 Chip에서는 고품질의 단결정 ZnO:Ga-As 박막이 ITO 대비 동일한 구동전압을 갖고 중심 값을 기준으로 18㎽(16.9%) 이상 높은 광 출력값을 갖으며 2″LED Chip 전체 면적에서는 보다 더 균일한 산포를 갖는다. 마지막으로 1100x700㎛²(@100㎃) size의 Chip에서는 고품질의 단결정 ZnO:Ga-As 박막이 ITO대비 구동전압에서 0.1V 낮으며 중심 값을 기준으로 20~30㎽(12.1%) 이상의 높은 광 출력을 갖고 상대적으로 2″LED Chip 면적에 균일한 산포를 갖는 것으로 확인되었다. 결과적으로 구동전압의 경우 Chip size에 따라 동일한 결과는 아니지만 ITO투명전극과 비교해볼 때 비슷한 결과 값을 갖고 광출력에서는 고품질의 단결정 ZnO :Ga-As 박막이 Chip size와 관계없이 우수한 특성을 보이며 산포 역시 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 이는 2″LED Chip 전체 면적에서 기존의 ITO 투명전극 보다 높은 수율을 갖는 고효율의 LED Chip을 제작 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 질화물 반도체의 결정구조와 상이한 ITO에 비해 같은 결정구조와 비슷한 격자 상수를 갖는 고품질 단결정 ZnO: As-Ga 박막의 경우 carrier의 이동이 용이 하고, 확산을 통한 강력한 p-type 형성과 불순물로 도핑된 As과 Ga이 hole의 공급과 전기전도도에 영향을 주어 기존의 ITO보다 높은 광출력 값을 얻을 수 있었다.