fabrication process LED 설계
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- 목차
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1. 서 론
2. 본 론
2.1 Backside Metal & Substrate
2.2 PN Junction & Active Layer
2.3 Passivation & Electrodes
2.4 Packaging
3. 결론 및 요약
- 본문내용
-
1. 서 론
1.1 LED의 등장과 필요성
1879년 미국의 T.A. 에디슨에 의해 백열전구의 상업적 양산이 시작된 이래 전기를 이용한 조명의 개발은 매년 발전에 발전을 거듭해 왔다. 1920년대 말엔 과학자들에 의해 실험실에서 사용되던 형광등이 상업적으로 생산-판매되면서 널리 보급되기 시작했고, 그 이래 지금까지 조명시장의 거의 100%는 백열전구와 형광등에 의해 양분되어왔다. 하지만 백열전구는 값싸고 쉬운 생산과 낮은 기술력을 필요로 함에 비해 상당히 낮은 에너지효율과 부피, 짧은 수명으로 인해 신뢰성 있는 조명으로 계속적으로 사용되기엔 그 한계가 명확했고, 형광등 역시 개선된 수명과 에너지 효율에도 불구하고 느린 반응속도와 사용되는 수은가스의 유해성 등으로 인해 모든 분야에서 널리 사용되기엔 그 한계가 분명했다. 결정적으로, 에너지고갈이 점차 현실화 되어가는 지금의 시점에서 보다 고효율이며 낮은 에너지로도 가동 가능한 조명의 필요성은 점차 높아져가고 있었다. 그러던 중 1920년대 말에 당시 소련에서 반도체 소자를 응용하여 처음 개발된 LED(Light Emitting Diode)는 반도체의 빠른 처리 속도와 낮은 전력 소모 등의 장점과 함께, 환경 친화적이면서도 에너지 절약 효과가 높아서 차세대 국가 전략 품목으로 꼽히고 있다. 발명 초기에는 낮은 생산률과 높은 단가로 인해 보급이 어려웠으나, 근래에 들어서서 생산공정과 시설이 새롭게 개선되고 단가가 적정수준으로까지 내려가면서 낮은 구동전력과 상대적으로 훨씬 높은 에너지효율, 긴 수명으로 인해 차세대 조명으로 여겨져 본격적인 LED개발이 세계 곳곳에서 시작되었다.
1.2 개발된 LED의 종류와 그 용도
LED는 그 이름에서 알 수 있듯, 빛을 발하는 Diode로써, 기본적으로 일정량의 자유전자를 mobile charge로 가지는 N형 반도체와 일정량의 정공(Hole)을 mobile charge로 가지는 P형 반도체가 서로 접합해 있는 형태이다. 이때 PN접합을 이루고 있는 물질들의 각 고유 Bandgap은 그 기초가 되는 반도체물질과 거기에 추가되는 dopant의 양과 종류에 의해 결정되는데, 발하는 빛의 파장에 따라서 크게 Laser LED, IR LED, Visible LED, UV LED의 4가지로 나뉜다.
<그림 1. LED의 원리>
각 그룹의 LED들은 그 파장이 가지는 에너지영역과 특성에 따라 비단 일반적인 조명이나 광원뿐만 아니라 다양한 분야에서 사용되고 있다. Laser LED의 경우 장거리 광케이블용 광원, 근거리통신용 광원, 군사목적의 레이저유도, 연구목적 등으로 사용되고 있고 IR LED의 경우 대표적으론 가정용 Remote Controller, 핸드폰과 마우스 등의 근거리통신용, 군사용 투시경, CCTV의 야간조명 등의 용도로 쓰인다. Visible LED의 경우 소형 가정기기, 신호등, 평판TV, 장식등 등의 목적으로 쓰이며, UV LED의 경우 UV가 가지는 강력한 에너지로 인해 살균 및 소독용 광원에 한정되어 사용되는 경우가 많다.
<그림 2. LED의 용도>
1.3 현재의 LED 시장규모와 제품유형별 점유율 현황
발광 소자에 관한 시장성을 조사하는 연구 기관인 Strategies Unlimited는 2003년 백색 LED조명 시제품의 세계적인 시장 규모가 약 40억불에 이를 것으로 추정하고 있다. 또한 에너지 절감이라는 범국가적 문제와 맞물려 2010년 이내에는 LED 조명제품의 상용화를 내다보며, 그 시장 규모가 약 150억불, 응용제품 시장까지 합하면 900억불에 육박할 것으로 내다보고 있다. 이러한 거대 조명 시장을 겨냥해 필립스, GE, 오스람등의 세계적인 전문 조명업체가 에질런트, 엠코어, 인피니온등의 LED램프 업체들과 연합해 시장선점을 위한 연구 개발을 진행, 하나 둘씩 시제품을 선보이고 있다. 또한 기존 전구보다 40배에서 최고 100배까지 높은 조명용
<그림 3. 국내외 시장 규모와 전망>
LED의 생산 단가를 낮추기 위한 연구개발을 지속하고 있다. 늦어도 2007년 정도에는 생산단가가 일반조명등 수준까지 떨어질 것이라는 게 이들의 일반적인 견해이다. (그림 12) 2002년 고효율 LED시장규모 조사내용을 보면, 대부분의 수요가 모바일 디스플레이의 백라이트나, 표시등, 자동차 전조등 등의 한정적인 시장으로 조명용의 점유율은 5%에 그쳤다. (그림 13) 그러나 LED의 효율이 증가함에 따라 시장점유율은 서서히 증가할 것으로 예상되며, 2010년쯤 LED조명이 상용화가 되는 시점에서는 급증할 것으로 내다보고 있다.
<그림 4. 2002년 세계 LED시장 분포 (출처: Strategies Unlimited)>
2. 본 론
2.1 Backside Metal & Substrate
내부의 미세한 층 사이에서 빛을 생성하여 밖으로 방출하여야 하는 것이 LED의 목적이라는 점을 생각해보면, 구성 layer중 가장 두꺼운 부분을 차지하는 substrate층의 선택은 LED 자체의 성능을 좌우한다 하여도 과언이 아닐 것이다. 기존의 반도체들이 불투명 결정상의 Si Wafer 을 사용하는 점을 생각하면 LED와 일반 Diode들 간의 가장 큰 차이점이 바로 이 substrate일 것이다. 높은 발광효율을 위해 본 LED에서 생산하는 660nm ~ 730nm 대의 파장에 가장 간섭이 없고 거의 흡수하지 않은 채 통과시키는 소재인 Sapphire (Al2O3)를 사용하여 substrate를 구성하고, 이 배면에 지지 및 보호용으로 Cu를 사용하여 Backside Metal layer을 형성, 이후 진행될 공정의 기반이 될 substrate층을 완성하려 한다.
Process Sketch Related Materials Related Hardware
(Chamber/Equipment) Note
Step1
Form Al2O3 Ingot
With CZ process ㅡ Al2O3 Czochralski Furnace Al2O3의 Polycrystal 을 사용한다.
Step2
Cutting & Grinding ㅡ Al2O3 powder / Glycerin Diamond grinder
Step3
Chemical etching HF-HNO3-CH3COOH / abrasive Grinding table
Step4
Deposition Cu on one side of wafer Cu CVD Reactor :
Horizontal–flow reactor 20~40μm
<표 1. Process flow chart for Wafer & Backside Metal>
Step 1 : 단결정 seed로 하여 회전없이 끌어당기어 성장된 결정체를 얻는다. 공정 중 내부에서 발생한 불순물이 유입되지 않게끔 진공상태를 유지하여 준다.
Step 2 : 단순절삭 및 연마. 절삭시에는 원하는 결정절단면이 나오도록 rpm과 압력에 유의한다.
Step 3 : 절삭면의 평탄화를 위해 etching을 실시한다.
Step 4 : Wafer 중 한 면에 Cu를 이용하여 CVD를 실시한다.
2.2 PN Junction & Active Layer
발광 다이오드, 즉 LED를 제작함에 있어 직접적으로 빛을 발하는 PN Junction의 설계와 제작이야말로 LED의 생명과 직결된다고 해도 과언이 아니다. 기존의 여타 조명기구인 백열등이나 형광등에 비해 몇 배에서 수십 배에 달하는 높은 효율을 자랑하는 LED라 할 지라도 기본적인 몇 가지 요소들을 갖추지 못하면 상용화되긴 어려운 것이 사실이다. 간단히 나열하자면 아래와 같다.
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