물리학과 첨단기술 November 2008 13

LED 광추출기술

박 성 주

저자약력

박성주 교수는 Cornell University 이학박사(1985년)로 IBM T. J. Watson

Research Center와 한국전자통신연구원을 거쳐(1985-1995년) 현재는 광

주과학기술원 교수로 재직 중이며 한국과학기술한림원 정회원으로 활동 중이다. (sjpark@gist.ac.kr)

그림 1. LED 내부에서 발생한 빛의 진행경로와 전반사 현상.

(a) Epi-side up 방식

그림 2. Epi-side up 방식과 epi-side down 방식을 갖는 LED의 구조.

참고문헌[1] J. J. Wierer et al., Appl. Phys. Lett. 78, 3379 (2001).

[2] C. E. Lee et al., Semicond. Sci. Technol. 23, 025015 (2008).

새로운 차세 원으로 각 받고 있는 발 다이오드(light- emitting diode: LED)의 효율인 외부양자효율은 내부양자

효율과 추출효율의 곱에 의해 결정된다. 내부양자효율은

사용된 반도체의 품질과 류주입의 효율에 의해서 결정된다. 그러나 같은 내부양자효율을 갖는 LED를 제작하여도 빛을

외부로 방출하는 능력은 추출효율에 의해서 달라지게 된

다. 즉 LED 내부의 다 양자우물(multiquantum well)에서

발생한 빛이 외부로 방출될 때, 질화갈륨(굴 률=2.4)과 공기(굴률=1)와의 굴 률(refractive index) 차이로 인해 빛이 방출

될 수 있는 임계각(critical angle)이 감소하여 내부 반사에

의한 빛의 손실이 발생하게 된다. 이는 LED의 추출효율이

낮아지는 문제를 야기시키고 결국 LED의 효율을 감소시키

는 결정 인 원인을 제공한다. 그림 1은 질화갈륨을 기반으로

하는 LED 내부에서 발생된 빛의 진행경로를 개략 으로 보

여 다. 그림에 나타난 것처럼 LED 내부에서 발생된 빛의 임

계각은 약 23°에 지나지 않으므로 발생된 빛의 극히 일부만

LED 밖으로 방출된다.본 논문에서는 이러한 낮은 추출효율을 높이기 해서

용되고 있는 다양한 기술들 에서 립칩(flip chip) 구조, chip shaping, 표면 요철형성(surface texturing), 요철이 형

성된 사 이어 기 (patterned sapphire substrate: PSS), 결정(photonic crystal) 기술, 반사방지막(anti-reflection layer) 구조에 해 설명하고자 한다.일반 으로 LED는 p형 질화갈륨층을 통해 빛을 발산하는

epi-side up 방식을 사용한다. 하지만 이러한 구조는 투명

극(transparent contact)과 극패드(bonding pad)에서 흡수

되는 빛의 손실이 크다. 이러한 문제를 해결하기 해 epi-side down 방식(이하 립칩 혹은 수직형 LED)이 개발되었다.[1] 그림 2는 기존의 epi-side up 구조의 LED와(그림 2(a)) 립

칩 수직형 LED의 일반 인 구조를 보여 다. 그림 2(b)의

립칩 방식의 LED는 기 인 사 이어(Al2O3)를 통해 빛이

방출되기 때문에 epi-side up 방식에서 일어날 수 있는 투명

극이나 결합 패드, 극 연결부에서의 빛의 흡수손실을 최

한 일 수 있다. 한 사 이어와 공기의 굴 률이 각각

1.76과 1로써 기존의 epi-side up 방식과 비교하여 빛의 임

계각을 크게 하여 내부 반사를 일 수 있다.[2] 뿐만 아니

라 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 반사율이 높은 속을 사용함으

로써 빛을 사 이어 쪽으로 부분 반사시켜 추출효율을

(b) Epi-side down 방식(Flip chip)

(c) Epi-side down 방식(Vertical chip)

물리학과 첨단기술 November 2008 14

그림 3. 다양한 기하학적 구조의 LED.

(a) (b)그림 4. (a) 금속 클러스터를 마스크로 이용한 습식식각으로부터 형성된 요

철의 AFM 이미지. (b) 마스크 없이 습식식각으로부터 형성된 요철의 SEM

이미지.

(a) (b)그림 5. (a) 요철이 형성된 기판에(PSS) 성장된 LED의 개략도 (b) PSS

기판에 성장된 질화갈륨의 SEM 이미지.

참고문헌 [3] J. Y. Kim et al., Appl. Phys. Lett. 88, 043507 (2006).

[4] T. Fujii et al., Appl. Phys. Lett. 84, 855 (2004).

[5] Microsystems, Packaging, Assembly Conference, Taiwan (2006).

[6] M. R. Krames et al., Appl. Phys. Lett. 75, 2365 (1999).

[7] J. Y. Kim et al., IEEE Photon. Tech. Lett. 19, 1865 (2007).

[8] I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63, 16 (1993).

[9] C. Huh et al., J. Appl. Phys. 93, 9383 (2003).

[10] S. I. Na et al., IEEE Photonic Tech. Lett. 18, 14 (2006).

[11] K. Tadatomo et al., Jpn. J. Appl. Phys. 40, L584 (2001).

[12] D. S Han et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 18, 13 (2006).

[13] S. J. Chang et al., Appl. Phys. Lett. 91, 013504 (2007).

[14] D. S. Wuu et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 17, 288 (2005).

크게 향상시킬 수 있다.[3] 최근 활발하게 연구되고 있는 수직

형 LED는(그림 2(c)) 이 를 이용해 사 이어 기 과 질화

갈륨층을 분리하고(laser lift-off) 수직으로 류를 주입하는

방식으로 구성된다. 이러한 수직형 구조는 n형 질화갈륨층의

요철 p형 속 오믹 극을 통한 빛의 반사를 이용하여

추출효율을 극 화시킬 수 있다.[4]

추출효율은 LED의 기하학 인 구조 변형을 통해서도

향상시킬 수 있다. 일반 인 직사각형 이 구조의 LED는

그림 3(a)에서 보여지는 바와 같이 쪽과 아래쪽에 빛이 방

출될 수 있는 2개의 탈출 원뿔과(escape cone) 측면의 4개의

탈출 뿔을 합쳐 모두 6개의 탈출 원뿔 모양을 갖는다. 이러한

탈출 원뿔의 면 증가는 궁극 으로 LED의 추출효율을

향상시킬 수 있는 방법 의 하나이다.이를 구 하기 해 기존 직사각형 이 구조를 원통형으

로 변형시킨 LED 구조가 제안되었다(그림 3(b)).[5] 이 밖에도

역피라미드형(그림 3(c)) 혹은 삼각형(그림 3(d)) LED 구조가

제안되었다. 이러한 구조를 통해 내부 반사로 갇히는 빛들의

입사각을 차 으로 여주어 좀 더 많은 양의 빛을 임계각

이내로 유도함으로써 추출효율의 향상을 기 할 수 있다.[6,7]

한 LED 표면에 건식식각 방법을 통해 요철을 형성하여

(texturing) 의 이동경로를 변화시킴으로써 기존의 LED와

비교하여 높은 추출효율을 얻을 수 있었다.[8] 건식식각의

단 인 라즈마 결함을 이기 하여 습식식각을 통해 LED의 표면에 쉽게 요철을 구 해 낼 수 있는 연구도 진행되

었다. 그림 4(a)는 열처리를 통한 속 클러스터(cluster)를

LED 표면에 형성하고 이를 습식식각하여 무작 한 요철을

형성시킨 방법을 제시하 고, 그림 4(b)는 마스크 없이 p형

질화갈륨 표면에 습식식각을 통해서 V-pit 모양의 요철을 형

성하는 방법을 제시하 다.[9,10] 이러한 다양한 습식식각 방법

을 통하여 추출효율을 증가시킬 수 있었다.

요철을 형성한 사 이어 기 (PSS) 에 질화갈륨을 성장

시키면 활성층에서 발생한 빛이 요철이 형성된 기 과 질화

갈륨의 계면에서 난반사를 일으키게 된다. 이를 이용하면 LED 내부에서 빛의 경로를 변화시킬 수 있고 결과 으로 탈출확

률이 증가하여 추출효율을 개선시킬 수 있다(그림 5).[11]

이후 립칩 LED에서도 사 이어 표면에 포토 리소그래피

(photo-lithography)를 이용한 요철 형성과 건식식각 기술을

통해 추출효율의 향상이 보고되었다(그림 6).[12] 최근에는

e-beam 리소그래피(e-beam lithography), 이 홀로그램

리소그래피(hologram lithography), 나노임 린트 리소그래

피(nano-imprinted lithography) 등의 나노사이즈의 마스크

형성 기술과 식각 기술의 발 으로 보다 정교하게 요철을 형

(a) Rectangular parallelepiped LED (b) Cylindrical LED

(c) Truncated inverted pyramid LED (d) Triangular LED

물리학과 첨단기술 November 2008 15

(a)

(b) (c)

그림 6. (a) 플립칩 LED에서의 빛의 경로 (b) 플립칩 LED의 표면에 요철을

형성하였을 때의 빛의 경로 (c) 플립칩 LED에 요철 적용 후의 광 출력.

그림 8. 굴절률이 다른 ITO의 SEM 이미지와 이를 적용한 LED의 광출

력 결과.

참고문헌[15] M. Boroditsky et al., Appl. Phys. Lett. 75, 1036 (1999).

[16] C. L. Tseng et al., Appl. Phys. Lett. 83, 3677 (2003).

[17] M. K. Kwon et al., Appl. Phys. Lett. 92, 251110 (2008).

[18] K. H. G. Peter et al., Science 285, 233 (1999).

[19] J. K. Kim et al., Adv. Mater. 20, 4 (2008).

(a) (b)그림 7. (a) Finite Difference Time Domain(FDTD)를 이용한 광의 거동

예측 (b) LED 내부에 광결정이 형성되었을 때의 광출력.

성하여 높은 추출효율을 얻을 수 있게 되었다.[13,14]

앞서 언 한 표면에 요철을 형성하는 기술의 진보는 추

출효율 향상에 보다 효과 인 결정(photonic crystal) 구조

의 구 을 가능하게 하 다. 결정이란 굴 률이 다른 두 가

지 이상의 유 체가 나노 크기의 주기 인 구조로 무한히 반

복되는 격자 구조를 말한다. 이때, 빛의 장이 매질을

할 수 없는 지 역이 나타나게 되는데 이 지 역을

밴드갭(photonic bandgap)이라고 부른다. 즉 결정은 주기

인 굴 률 차이를 이용하여 밴드갭을 형성시키고 조

함으로써 빛의 내부 반사 경로를 변환시켜 LED의 추출효

율을 극 화시킬 수 있는 기술이다.[15] 최근 결정을 용한

LED가 기존의 LED보다 추출효율이 2 - 2.5배 정도 향상

된 결과가 보도되었다.[16] 한

결정이 내부에 삽입된 LED

를 제작하여 추출효율을 크게 증가시킨 연구 결과도 발표

되었다. 그림 7은 결정이 삽입된 LED와 이들 구조가 없는

LED에서 finite difference time domain(FDTD) 시뮬 이션

을 이용하여 결정을 삽입한 LED의 출력이 향상되었음을

보여주고 있다.[17]

LED의 추출효율을 증가시키기 해 반사방지막 역할을

할 수 있는 다공성의(porous) 투명 도막에 한 연구가 진

행되었다. Brugemann effective medium approximation 원리에 따르면 박막 내부의 공기의 부피 비율(volume fraction)이 증가함에 따라 박막의 유효 굴 률은 감소하게 된다. 따라

서 다공성 투명 도막의 경우 박막의 고유 굴 률보다 낮은

굴 률도 가질 수 있음을 의미한다.[18] 이러한 원리는 높은

투과도가 필요한 LED의 ITO(indium tin oxide) 투명 극에

응용되었다. 즉, ITO 증착 시 각도를 변화시켜 으로써 다공

성을 차 높여가고 이는 ITO의 유효 굴 률을 진 으로

변화시켜 투과도가 높은 ITO를 얻을 수 있었다. 이를 LED에

용하여 추출효율을 크게 향상시킬 수 있었다(그림 8).[19]

LED의 추출효율은 앞서 소개했던 것처럼 립칩 구조, chip shaping, 표면 요철형성, 요철이 형성된 사 이어 기 , 결정 기술, 반사방지막 구조 등 다양한 방법을 통해 향상시

킬 수 있었다. 앞으로 발 다이오드가 차세 조명용 다양

한 분야로 진출하여 확고한 시장 유를 해서는 효율의

향상은 필수 이다. 따라서 추출효율의 향상을 한 지속

인 연구가 이루어진다면 LED의 효율은 더욱 향상될 수

있을 것이다.